la energia (1)
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ESPECIALIZACION PROFESIONAL TECNICA POR ORIENTACION DE MISILES
(COT 10)
ASIGNATURA
DOCENTE: T1 COT(10) NICOLÁS CUYA MOTTA
MICROONDAS
2014
LA ENERGIA
FUNDAMENTOS DE LA ENERGIA
Un requisito fundamental de un sistema de armas completo es poseer algún medio de detección del blanco. Para ello, el sistema de armas debe ser capaz de detectar alguna característica de la energía que emite o refleja el blanco. Esta energía puede tener diversas formas, como electricidad, audio calor o luz visible. Una propiedad común a todas las clases de energía mencionadas es su forma de propagación: todas ellas se propagan como ondas viajeras, y como tales, pueden definirse y clasificase según su frecuencia y longitud de onda. La función del sistema sensor es detectar la forma apropiada de energía, y proveer la información así obtenida a los demás componentes del sistema de armas.
Características de las ondas viajeras
La energía parte desde la fuente en ondas, en forma muy similar a la de las olas que avanzan concéntricamente desde el punto de impacto de una piedra en el agua. Pero las ondas de este familiar ejemplo son bidimensionales, mientras que la energía radiada desde un punto en el vació viaja en ondas tridimensionales; es decir, esferas concéntricas. En el estudio de la energía radiada, es a menudo difícil describir la expansión de esferas de frentes de onda concéntricos a medida que se propagan por el espacio. Es entonces conveniente trazar la marcha de rayos en lugar de ondas. Para formar un rayo, se dibuja el recorrido de un punto hipotético de la superficie de un frente de onda, a medida que se mueve a través de un medio.
Frecuencia
La principal característica distintiva de cualquier forma de energía radiada es su frecuencia, que normalmente se mide en ciclos por segundo o hertz (Hz). En el caso del sonido, es la velocidad a la que vibra un objeto. Para la energía electromagnética, tal como la de la radio, radar o luz, es la velocidad a la que se expanden y contraen los campos eléctricos y magnéticos de una onda que se propaga. Como la energía radiada se compone de ondas periódicas, puede representarse por una sinusoide. La significación de la frecuencia se evidencia claramente por el hecho de que la naturaleza del tipo de energía (calórica, luminosa, electromagnética, etc.), esta directamente relacionada con su frecuencia.
La figura 1.1 muestra el espectro electromagnético, desde las audiofrecuencias a los rayos gamma. La energía radar esta normalmente entre 1 y 10 GHz, pero hay algunas excepciones. Por ejemplo, algunos radares de búsqueda aérea de largo alcance transmiten entre 200 y 980 MHz, y los radares trans-horizonte, a frecuencias aun mas bajas.
Longitud de onda
El movimiento de las ondas se caracteriza también por la longitud de onda que se define en forma sencilla como la distancia entre dos puntos idénticos (normalmente crestas), de ondas adyacentes. Para una onda viajera, es también la medida de la distancia recorrida por la onda durante un ciclo completo. De la última definición puede derivarse una relación entre la frecuencia y la longitud de onda:
Donde:λ = Longitud de onda (metros)C = Velocidad de propagación de la onda en un medio determinado (metros/seg) f = Frecuencia (Hz)La longitud de onda es importante en el diseño de las antenas de radio y de radar porque para cualquier valor dado de la directividad de la señal, el tamaño de la antena es directamente proporcional a la longitud de onda de la energía que debe dirigirse.
cfλ=
ʎ
Coherencia
Una energía pura de frecuencia única tendrá como forma de onda una sinusoide, y se llama energía coherente. La energía compuesta por más de una frecuencia tendrá una forma de onda diferente de una sinusoide y se considera energía no coherente.
La energía coherente tiene dos ventajas principales sobre la no coherente cuando se utiliza en sistemas de radar. Primero, puede medirse el desplazamiento doppler de los blancos móviles. Segundo, pueden usarse receptores radar con relaciones señal/ruido superiores. Los radares de diseño antiguo usan señales no coherentes, puesto que en la época de su desarrollo no se disponía de tecnología capaz de producir una señal coherente de alta potencia. La mayoría de los radares producidos hoy en día son del más ventajoso tipo coherente.
Velocidad
La energía electromagnética se propaga en el vacío a la velocidad de la luz, unos 3 x 108 m/s, que corresponde a aproximadamente una milla náutica cada 6,81 µs. La velocidad en otros medios es menor que en el vacío.La relación entre la velocidad de la energía electromagnética en el vacío y la velocidad en un medio diferente se llama índice de refracción de ese medio. A las frecuencias de radar y superiores, el índice de refracción del aire es muy cercano a 1,0 y por ende generalmente se ignora.
Amplitud
Una característica final de la propagación de una onda es su amplitud. Esta puede definirse gráficamente como el máximo desplazamiento de cualquier punto de la onda desde un valor constante de referencia. El desplazamiento es también una indicación directa del nivel de energía de cada punto de una onda que se propaga. Para derivar una ecuación que defina completamente el desplazamiento en función del tiempo y la distancia, es útil comenzar por investigar el ejemplo simplificado de una onda senoidal estacionaria en único instante de tiempo .
• Ondas de radio: son las utilizadas en telecomunicaciones e incluyen las ondas de radio y televisión. Su frecuencia oscila desde unos pocos hertz hasta mil millones de hertz. Se originan en la oscilación de la carga eléctrica en las antenas emisoras (dipolo radiantes).
• Microondas: Se utilizan en las comunicaciones del radar o la banda UHF ( Ultra High Frecuency) y en los hornos de las cocinas. Su frecuencia va desde los mil millones de hertz hasta casi el billón. Se producen en oscilaciones dentro de un aparato llamado magnetrón. El magnetrón es una cavidad resonante formada por dos imanes de disco en los extremos, donde los electrones emitidos por un cátodo son acelerados originando los campos electromagnéticos oscilantes de la frecuencia de microondas.
• Infrarrojos: Son emitidos por los cuerpos calientes. Los tránsitos energéticos implicados en rotaciones y vibraciones de las moléculas caen dentro de este rango de frecuencias. Los visores nocturnos detectan la radiación emitida por los cuerpos a una temperatura de 37 º .Sus frecuencias van desde 10 11Hz a 4·1014Hz. Nuestra piel también detecta el calor y por lo tanto las radiaciones infrarrojas.
• Luz visible: Incluye una franja estrecha de frecuencias, los humanos tenemos unos sensores para detectarla ( los ojos, retina, conos y bastones). Se originan en la aceleración de los electrones en los tránsitos energéticos entre órbitas permitidas. Entre 4·1014Hz y 8·1014Hz
• Ultravioleta: Comprende de 8·1014Hz a 1·1017Hz. Son producidas por saltos de electrones en átomos y moléculas excitados. Tiene el rango de energía que interviene en las reacciones químicas. El sol es una fuente poderosa de UVA ( rayos ultravioleta) los cuales al interaccionar con la atmósfera exterior la ionizan creando la ionosfera. Los ultravioleta pueden destruir la vida y se emplean para esterilizar. Nuestra piel detecta la radiación ultravioleta y nuestro organismo se pone a fabricar melanina para protegernos de la radiación. La capa de ozono nos protege de los UVA.
• Rayos X: Son producidos por electrones que saltan de órbitas internas en átomos pesados. Sus frecuencias van de 1'1·1017Hz a 1,1·1019Hz. Son peligrosos para la vida: una exposición prolongada produce cáncer.
• Rayos gamma: comprenden frecuencias mayores de 1·1019Hz. Se origina en los procesos de estabilización en el núcleo del átomo después de emisiones radiactivas. Sus radiación es muy peligrosa para los seres vivos.
una onda electromagnética: Es un tipo de radiación en forma de onda que se caracteriza por poseer dos campos: Un campo eléctrico y otro campo magnético, oscilando perpendicularmente entre sí. El esquema a continuación representa una onda electromagnética: ONDA ELECTROMAGNETICA
ONDA ELECTROMAGNETICA
El dibujo inferior ilustra el desplazamiento de una onda , verde en su parte magnética y azul en su parte eléctrica. La onda está dibujada propagándose a lo largo de una línea.
ONDA ELECTROMAGNÉTICA
E (Voltaje)
H (Corriente)
PROPAGACIÓN
• Es el movimiento acelerado de las cargas eléctricas que generan perturbaciones de los campo eléctricos y magnéticos cuando son radiados en el espacio
• Es la resultante del producto vectorial del campo eléctrico y el campo magnético
LA ESTRUCTURA DE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS
En el rango de las bajas frecuencias, las palabras voltaje y corriente son comúnmente utilizadas.En el rango de altas frecuencias otros términos tienen que ser introducidos:
• E campo eléctrico (relacionado con voltaje)• H campo magnético (relacionado con corriente)
Del mismo modo que en voltaje y corriente suceden al mismo tiempo, E y H se corresponden y juntos forman la onda electromagnética.
En la figura hay una diferencia de potencial entre los cables, por lo tanto existe un campo eléctrico entre ellos. Las líneas continuas muestran la forma del campo eléctrico. Al circular corriente por los conductores, se establece un campo magnético alrededor de ellos. La dirección y magnitud de los campos eléctricos y magnéticos esta continuamente cambiando a medida que el frente de onda avanza a través del espacio, pero siempre se mantiene una diferencia de 90° entre los campos E y H.
DIRECCION DE PROPAGACION
VISTA DE COSTADO
H
E
VISTA DE FRENTE
DIRECCION DE PROPAGACION
TEORIA DE MAXWELL
En 1865, James Clerk Maxwell, un físico escocés, publicó una descripción matemática de la relación entre electricidad y magnetismo. Sus fórmulas, llamadas hoy ecuaciones de Maxwell, mostraban que un objeto que vibre y poseedor de una carga eléctrica irradiará ondas electromagnéticas, análogas en muchos aspectos a las ondas que se extienden por la superficie del agua a partir de una piedra arrojada a un estanque. En realidad, la gran contribución de Maxwell está en unir las fuerzas eléctrica y magnética en una única teoría, mostrando que estas dos fuerzas diferentes eran en realidad sólo dos caras distintas de la misma moneda. Maxwell, en particular, amplió los resultados anteriores para sostener de modo muy general que todo campo eléctrico cambiante crea un campo magnético y que, a su vez, todo campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Así, por ejemplo, si uno mide una carga eléctrica en reposo, mide también un campo eléctrico. Si uno avanza más allá de la misma carga, también medirá un campo magnético. Lo que se vea depende del estado de movimiento en que se esté. El campo eléctrico de una persona es el campo magnético de otra. ¡En realidad son dos aspectos diferentes de la misma cosa!
GENERACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Una antena dipolo elemental esta formada por un arreglo lineal de material conductor adecuado. Cuando el dipolo esta sujeto a una fuerza eléctrica alterna, ocurren diversos fenómenos que resultan en radiación electromagnética.Se genera un campo eléctrico en el plano del conductor, que tiene máxima intensidad en el instante e máxima tensión. Las líneas de fuerza eléctrica asociadas se lustran en el dipolo esquemático de la figura 1-4a. Nótese que las líneas exteriores están curvadas hacia afuera de las interiores. Esto debido a la natural repulsión entre líneas de fuerza en la misma dirección. En la figura 1-4b, la tensión ha caído un poco, y las cargas separadas, juntos con sus líneas de fuerza asociadas, se han acercado al centro del dipolo. A medida que la tensión continúa cayendo, las líneas comienzan a desplomarse hacia dentro de la antena. Las líneas más externas, sin embargo, no se desploman sino que se doblan sobre si mismas para formar lazos cerrados. En ese instante, la tensión es cero como se muestra en la figura1-4c. Cuando la tensión comienza a crecer en dirección opuesta, las líneas de fuerza cambian de forma como se indica en a figura 1-4d. La interacción entre estas nuevas líneas y los lazos cerrados resulta en la repulsión de los lazos hacia fuera de la antena a la velocidad de la luz.
La antena del ejemplo precedente debe entonces estar rodeada por un campo magnético y también uno eléctrico. Una ilustración grafica de este campo se da en la figura 1.5. Como la corriente es máxima en el centro del dipolo, el campo magnético es mas intenso en este punto. El campo se origina en un plano perpendicular al plano del campo eléctrico, como puede verse comparando las figuras 1.4 y 1.5. Usando la “regla de la mano derecha” el campo magnético es como se muestra en la figura 1.5.
La antena dipolo elemental de la discusión anterior el elemento radiante básico de la energía electromagnética. El campo eléctrico constantemente cambiante de alrededor del dipolo genera un campo magnético variable, que a su vez genera un campo eléctrico y así sucesivamente. Debido a la repulsión entre líneas de fuerza en la misma dirección, los campos alternos así producidos se propagan al espacio como ondas electromagnéticas.
TRANSMISION DE LA ENERGIA ELECTROMAGNETICA
La transferencia de energía en un medio depende de ciertas propiedades electromagnéticas de éste, así como de propiedades similares del medio circundante. De esta forma, la transferencia de ondas electromagnéticas dependerá en diversos grados de las propiedades del terreno sobre el cual tiene lugar la transmisión. Que son: Constante dieléctrica Permeabilidad Conductividad
Estas propiedades están definidas por los siguientes parámetros:
• Constante Dieléctrica (ε), (permitividad), es la capacidad de un medio para almacenar energía electrostática. Un dieléctrico es un material no conductor, esto es, un aislante. Buenos dieléctricos son el aire, hule, vidrio y mica por ejemplo. La constante dieléctrica para el vacío es igual a 8.854 x 10 -12 farad / metro.
• Permeabilidad (µ), es la medida de la superioridad de un material comparado con el vacío, para servir como trayectoria para líneas de fuerza magnética. Los materiales ferromagnéticos como el hierro, acero, níquel y cobalto poseen altas permeabilidades. Por otro lado sustancias diamagnéticas como el cobre, latón y bismuto tienen permeabilidades comparables a la del espacio libre. El valor de µ para el vacío es de 4π x 10 -7 Henry / metro.
• Conductividad (σ), es la medida de la habilidad de un medio para conducir corriente eléctrica. Todos los metales puros son conductores, teniendo algunos mejor conductividad que otros. La conductividad es el recíproco de la resistividad y se mide en siemens (mhos). Velocidad en el medio. Mientras que en el vacío la conductividad vale cero, ε y µ nunca valen cero.
Polarización de la onda
El campo de energía electromagnética de una antena dipolo individual se parece a una enorme rosquilla con la antena en el centro del “agujero” (figura 1-10). Una sección transversal de la superficie de ese campo, tomada perpendicularmente a la dirección de propagación, se denomina frente de onda.
Toda la energía de un frente de onda esta en fase por definición. Como los campos E y H son mutuamente perpendiculares, este tipo de campo electromagnético se describe como linealmente polarizado, con la dirección definida por la orientación del campo E: es decir, si el campo eléctrico es horizontal (figura 1-11a), entonces la onda es polarizada horizontalmente.La polarización de la onda es particularmente importante en la consideración de la recepción de la señal electromagnética. Por ejemplo, una antena polarizada verticalmente será apreciablemente ineficaz en la recepción de una señal polarizada horizontalmente.
Propagación de la onda electromagnéticaReflexiónCuando una onda electromagnética radiada encuentra una superficie conductora, se produce reflexión de la energía desde esa superficie. Esta reflexión cumple la ley que postula que las ondas incidentes y reflejadas viajan en direcciones que forman ángulos iguales con la normal a la superficie reflectora, y están en el mismo plano. Los ángulos se llaman ángulo de reflexión y ángulo de incidencia respectivamente, y se miden desde la normal a la superficie reflectora. Las superficies disparejas reflejan en múltiples direcciones y tal reflexión se denomina difusa.La reflexión puede expresarse en términos del coeficiente de reflexión de la superficie, es decir, la relación de las intensidades del campo reflejado y del campo incidente. La medida más común de su amplitud es la intensidad del campo eléctrico. A menudo, se pierde energía de la onda incidente debido a la presencia de obstáculos naturales tales como polvo, nieve o vapor de agua. Ellos causan cierto grado de reflexión difusa que resulta en pérdidas de potencia del haz. Las pérdidas más grandes de intensidad de campo durante la reflexión, sin embargo, ocurren a causa de la difusión debida a la rugosidad e irregularidades de la propia superficie conductora .
RefracciónCuando una onda electromagnética viaja por la atmosfera, esta también sujeta al fenómeno de refracción. Cuando una onda incide en el límite entre dos medios transparentes en los cuales la velocidad de la luz es diferente, el rayo incidente se dividirá generalmente en un rayo reflejado y uno refractado.
Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total.
Difracciónla difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una distancia suficiente del emisor.Comparación entre los patrones de difracción e interferencia producidos por una doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo).El fenómeno de la difracción es un fenómeno de tipo interferencial y como tal requiere la superposición de ondas coherentes entre sí.Se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.
En la ilustración, la línea azul representa la difracción; la verde, la reflexión y la marrón, refracción
PROPAGACION DE LA ONDA
La Onda Terrestre(También llamada onda superficial) sólo puede existir cuando ambas antenas están cerca de la superficie de la tierra y poseen polarización vertical. Esta onda está apoyada en su límite inferior sobre la superficie de la tierra. Por ejemplo, todas las ondas de radiodifusión de onda media recibidas durante las horas de luz son ondas terrestres.Cuando una onda incide en la superficie de la tierra, ésta la refleja con un ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia. Coeficiente de reflexión = Onda reflejada/Onda incidenteCuanto menor es el ángulo de incidencia, menos energía pierde la onda al reflejarse.
La propagación de las ondas terrestres puede ser directa o reflejada. La primera tiene lugar cuando entre la antena emisora y la receptora no existe ningún obstáculo y las segundas llegan a la antena receptora después de rebotar sobre tierra, el mar o cualquier otro obstáculo importante.
Onda celesteRepresenta energía que llega a la antena receptora como resultado de la curvaturade la onda causada por la ionización de la atmósfera superior.La llamada región D es la responsable de gran parte de la atenuación diurna de las ondas de alta frecuencia. Debido a su desaparición durante la noche la atenuación en este periodo de tiempo es mínima y permite comunicaciones a mayores distancias.La onda celeste hace posible la gran mayoría de las comunicaciones de radio a larga distancia.
Onda espacialRepresenta energía que viaja desde la antena transmisora hasta la receptora a través de la troposfera terrestre (porción de la atmósfera que se extiende hasta una altura de unos 11 Km sobre la superficie de la tierra). La onda espacial consta por lo común de no menos de dos componentes. Uno de ellos es la onda electromagnética que va directamente desde la antena transmisora a la receptora.El otro componente es una onda electromagnética que llega a la antena receptora después de reflejarse en la superficie de la tierra.La energía de la onda espacial puede también llegar a la antena receptora como resultado de las reflexiones o refracciones producidas por las variaciones de las características eléctricas de la troposfera (cantidad de vapor de agua contenida a distintas alturas, etc.) y por difracción a través de la curvatura de la tierra, en montañas, etc.
Una antena emite básicamente dos tipos de onda. a) espaciales y b) terrestres.
Línea de mira radarEn los rangos de alta frecuencia usados normalmente para las transmisiones radar, la energía propagada sigue una trayectoria esencialmente directa. La transmisión y recepción están entonces limitadas a la “línea mira”. En la superficie terrestre, el horizonte de la línea de mira es la máxima separación permisible entre el transmisor y receptor
Formación de ductos
Condiciones anormales de la atmósfera, a pocas millas por sobre la tierra, pueden causar alcances inusuales para la transmisión de la energía electromagnética en el mar. Normalmente, el aire mas cálido se encuentra cerca de la superficie del agua, y se enfría a medida que aumenta la altura. A veces, se producen situaciones anormales en las que se encuentran capas de aire cálido por encima de las capas mas frías. Esta condición se conoce como de inversión de temperaturas. Cuando existe esta inversión de temperaturas, se forman canales o ductos, que conducen las ondas electromagnéticas muchas millas mas allá del alcance normal supuesto.
Perdidas
Las perdidas en la transmisión de energía electromagnética son debidas principalmente a la dispersión y la absorción. A medida que la onda se aleja de su fuente, su energía se esparce sobre un área cada vez mayor, como una onda circular que se expande en una pileta con agua. La energía por unidad de área del frente de onda es proporcional a 1/R2, donde R es la distancia desde el transmisor. Si la transmisión es a través de un medio distinto del espacio libre, las moléculas del medio absorberán parte de la energía cuando pasa la onda. La severidad de la atenuación por absorción depende del medio y de la frecuencia de radiación. La atenuación por absorción atmosférica es sensiblemente despreciable en el extremo inferior de la banda de frecuencias radar, pero puede ser de significación en la frecuencias radar mas altas.