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22-9-2013

Sistemas de comunicaciones del satéliteEvidencia de aprendizaje unidad 4

AL1255044561 Deslif Alejandra Coba IuitUnadm

Sistemas de comunicaciones del satélite

Sistema de comunicaciones del satélite.Autor:Deslif Alejandra Coba Iuit

Introducción:Las radiaciones electromagnéticas son aquellas partículas propagándose en forma de ondas producidas por campos electromagnéticos. Existen en el universo varios tipos de ondas electromagnéticas, pero las más importantes son las ultravioleta, los rayos gamma y los rayos X.Las radiaciones Gamma y Radiaciones X son muy parecidas su diferencia está en el origen, las primeras se originan por reacomodo en el núcleo del átomo y las segunda se originan en las capas orbitales fuera del núcleo. Presentan gran poder de ionización. Aunque a menudo los rayos X tienen energía inferior a los rayos Gamma, éste no es el criterio que los diferencia. Se pueden producir rayos X con energía mucho más elevada que los Gamma procedentes de la desintegración radiactiva.La interacción de la radiación electromagnética con la materia produce 3 efectos de absorción: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la producción de pares. En este trabajo se ha analizado el recorrido y desarrollo de una partícula representada por un balpin atado a una cinta elástica, más la frecuencia, longitud y velocidad de la onda generada al mismo tiempo. Es por ello, que Albert Einstein definió al cuanto moviéndose libremente en el espacio como la partícula energetizada que es a la vez una onda.

Desarrollo del trabajo

Ejemplo de la onda que se usará para la transmisión de datos y la comunicación con el satélite.

AL12504561 Deslif Alejandra Coba iuit 1


Como lo habíamos analizado en prácticas anteriores, la onda debe tener una frecuencia muy alta, la oscilación en la antena debe andar en el orden de 50MHz hasta 40 GHz, el emisor debe trabajar a esa frecuencia y polarizar la antena con frecuencias que contengan la información en la banda transportadora, las longitudes de onda va de los 6 metros hasta los 0.0075 metros. La potencia se debe tomar en cuenta ya que la distancia en enorme y las nubes son un obstáculo.

La velocidad de las ondas electromagnéticas en el aire o en el vacío es de unos 300.000 km/s,

La altura de la órbita geoestacionaria es el radio de la tierra más la distancia de la órbita geoestacionaria.

r = 6378 Km + 35786Km = 42164 Km = 4.2164 × 107 m

La mayoría de los satélites manejan frecuencias aproximadas a 1 GHz , la longitud de onda es

λ=Cf=3x 10

8m /s1 x109Hz

=0.3m

Figura 4. Modelo para una longitud de onda para una frecuencia de 1GHz.

Ejemplo:



En este se trabaja el movimiento oscilatorio, a partir del análisis mediante Tracker de los movimientos ejecutados por un balín atado a un resorte, a lo largo y alto de una vara de medición, a través del tiempo.

Balín en movimiento 2. Utiliza el constructor de modelos de Tracker y describe la posición del balín en términos del tiempo. Considera lo siguiente: a) Marca un punto en el balín. La descripción del movimiento será la relativa a este punto.



La gráfica de arriba muestra la posición del balín, que para términos físicos se comporta como una partícula, en cuanto al tiempo a través de un movimiento oscilatorio, señalado por la variable y. La gráfica muestra el movimiento oscilatorio a lo largo de una dimensión de altura igual a 1 m, el punto 0 es exactamente el centro de la onda oscilatoria, tanto en la gráfica como la partícula realizando el movimiento vertical. La horizontal x en este caso no se analiza debido a que esta partícula se mueve a lo largo de la dimensión vertical y su posición con respecto a x se considera 0.Si bien en la práctica el balín demostró cierto movimiento mínimo con respecto a x, se puede cancelar esta data puesto que en teoría, la partícula no debería mostrar un movimiento pendular, es decir, a lo largo de x.

En la gráfica de arriba, se puede ver el movimiento oscilatorio desde 0 a +50 para regresar a 0 e ir hasta -50. Este valor de 50 representa los centímetros de la distancia desde 0 hasta los extremos marcados por la vara de medición, con respecto a 1 m.

Esta onda formada por la partícula es amplia, y lenta, por lo que se puede definir como una onda macrométrica; de tipo mecánica, ya que requiere de un medio para ser observada, en este caso, a través de la imagen visual. Es unidimensional al viajar en un solo sentido y en un solo plano.



Es una onda longitudinal, puesto que la partícula que lo produce (balín) viaja exactamente en la dirección que forma la onda que la precede, de modo paralelo. Es una onda periódica, puesto que la causa que lo produce es de origen constante y no sufre perturbaciones en su desarrollo.

T x Y

0.000000000E0 3.408912695E0 -4.799759715E1

3.333333333E-2 3.288139611E0 -4.530665228E1

6.666666667E-2 3.429444336E0 -4.092314833E1

1.000000000E-1 3.531855757E0 -3.321272706E1

1.333333333E-1 3.413892293E0 -2.482271614E1

1.666666667E-1 3.333585950E0 -1.516975369E1

2.000000000E-1 3.070801599E0 -4.791439534E0

2.333333333E-1 3.004849210E0 4.969476207E0

2.666666667E-1 2.576122525E0 1.491040666E1

3.000000000E-1 1.615636565E0 2.324226193E1

3.333333333E-1 3.013769064E-1 3.108122387E1

3.666666667E-1 -6.870282687E-1 3.733626164E1

4.000000000E-1 -1.224852387E0 4.136774392E1

4.333333333E-1 -1.715721523E0 4.332695416E1

4.666666667E-1 -1.895305622E0 4.309775158E1

5.000000000E-1 -1.878281533E0 4.005003662E1

5.333333333E-1 -2.277118128E0 3.234733595E1

5.666666667E-1 -2.783248732E0 2.224315802E1

6.000000000E-1 -2.977850711E0 1.201517111E1

6.333333333E-1 -3.023506092E0 8.527757752E-2

6.666666667E-1 -2.624352987E0 -7.714554768E0

7.000000000E-1 -2.643020634E0 -1.992274985E1

7.333333333E-1 -2.829168820E0 -2.988929941E1

7.666666667E-1 -2.873382180E0 -3.866769245E1

8.000000000E-1 -2.625278615E0 -4.455920276E1



8.333333333E-1 -2.206043233E0 -4.786750999E1

8.666666667E-1 -1.582212917E0 -4.932209546E1

9.000000000E-1 -7.664435436E-1 -4.841144386E1

9.333333333E-1 2.561091871E-1 -4.539455443E1

9.666666667E-1 1.187376372E0 -3.946747849E1

1.000000000E0 1.682926254E0 -3.170342849E1

1.033333333E0 2.189117484E0 -2.289071452E1

1.066666667E0 2.713332338E0 -1.351976082E1

1.100000000E0 3.263966538E0 -3.618116314E0

1.133333333E0 3.770631017E0 6.615543185E0

1.166666667E0 4.237556335E0 1.686582003E1

1.200000000E0 4.263434529E0 2.661674403E1

1.233333333E0 4.166867070E0 3.471088365E1

1.266666667E0 4.250704102E0 4.142338550E1

1.300000000E0 4.220347029E0 4.601080030E1

1.333333333E0 4.274841041E0 4.849100840E1

1.366666667E0 4.317425616E0 4.861514301E1

1.400000000E0 4.275096809E0 4.547155925E1

1.433333333E0 4.071221543E0 4.063898923E1

1.466666667E0 3.947001269E0 3.263126127E1

1.500000000E0 3.812452239E0 2.078494204E1

1.533333333E0 3.675950386E0 8.523828655E0

1.566666667E0 2.972942558E0 -2.966847332E0

1.600000000E0 2.039934203E0 -1.538914295E1

1.633333333E0 1.358278938E0 -2.548439672E1

1.666666667E0 9.618079843E-1 -3.332401087E1

1.700000000E0 8.257462086E-1 -3.952703362E1

1.733333333E0 7.866540572E-1 -4.356780633E1

1.766666667E0 8.735467682E-1 -4.468447231E1

1.800000000E0 9.125948714E-1 -4.446061922E1

1.833333333E0 3.808502237E-1 -4.225661665E1



1.866666667E0 4.399213489E-1 -3.802991661E1

1.900000000E0 5.134835113E-1 -3.186465953E1

1.933333333E0 7.297361410E-1 -2.398920834E1

1.966666667E0 9.503515104E-1 -1.590617496E1

2.000000000E0 8.228960551E-1 -7.495869601E0

2.033333333E0 9.735488336E-1 1.324327919E0

2.066666667E0 1.140292677E0 1.109878459E1

2.100000000E0 1.667197633E0 2.107610530E1

2.133333333E0 2.200268703E0 2.965065930E1

2.166666667E0 2.856100758E0 3.758052517E1

2.200000000E0 3.320403119E0 4.342797849E1

2.233333333E0 3.912039751E0 4.677623984E1

2.266666667E0 3.953389846E0 4.684727627E1

2.300000000E0 4.243417483E0 4.516341390E1

2.333333333E0 4.713131140E0 4.009780015E1

2.366666667E0 4.961427501E0 3.217314600E1

2.400000000E0 5.166350607E0 2.063720823E1

2.433333333E0 5.069712942E0 8.527825501E0

2.466666667E0 4.821645923E0 -3.506758392E0

2.500000000E0 4.693339629E0 -1.583381460E1

2.533333333E0 4.575894859E0 -2.617723057E1

2.566666667E0 4.495362332E0 -3.411749676E1

2.600000000E0 4.449468206E0 -4.044424935E1

2.633333333E0 4.343921044E0 -4.520921588E1

2.666666667E0 4.242118615E0 -4.704328449E1

2.700000000E0 4.401527749E0 -4.700542522E1

2.733333333E0 3.965683482E0 -4.513542195E1

2.766666667E0 3.734110827E0 -4.095041044E1

2.800000000E0 3.874873875E0 -3.513407734E1

2.833333333E0 3.621275153E0 -2.893155585E1

2.866666667E0 3.611535212E0 -2.084015320E1



2.900000000E0 3.596505288E0 -1.103626423E1

2.933333333E0 3.664970135E0 -8.884534719E-1

2.966666667E0 3.861127488E0 9.060473522E0

3.000000000E0 3.860181151E0 1.900151242E1

3.033333333E0 3.735820095E0 2.720803549E1

3.066666667E0 3.696878438E0 3.504571118E1

3.100000000E0 3.750397123E0 4.093248360E1

3.133333333E0 3.740160350E0 4.495818184E1

3.166666667E0 3.796865691E0 4.620065447E1

3.200000000E0 3.760199210E0 4.505133987E1

3.233333333E0 3.681657802E0 4.093575272E1

3.266666667E0 3.610093163E0 3.350014145E1

3.300000000E0 3.575600463E0 2.407842093E1

3.333333333E0 3.498284108E0 1.392791953E1

3.366666667E0 3.405597776E0 2.961776729E0

3.400000000E0 3.480835687E0 -8.799125765E0

3.433333333E0 3.326796535E0 -2.081170771E1

3.466666667E0 3.420334092E0 -3.102539879E1

3.500000000E0 3.595082567E0 -4.161043513E1

Las posiciones señaladas por x entonces deben considerarse como una variable que, aunque puede afectar el desarrollo real de la partícula y su onda, en teoría debe ser igual a 0. Esta variable x, que ocasiona el movimiento pendular podría producir una perturbación en el desarrollo de la onda, provocando que la misma sea inestable y contenga un factor de pérdida de confiabilidad en el alcance.Ahora se procederá a medir la frecuencia de la onda, esto es, cuántos pasos desde 0 a +50 y de 0 a -50 realiza por segundo; para ello, se podrá auxiliar de la variable step que marca los pasos realizados por la partícula a lo largo del tiempo.

T y Step0.000000000E0 -4.799759715E1 0



3.333333333E-2 -4.530665228E1 1

6.666666667E-2 -4.092314833E1 2

1.000000000E-1 -3.321272706E1 3

1.333333333E-1 -2.482271614E1 4

1.666666667E-1 -1.516975369E1 5

2.000000000E-1 -4.791439534E0 6

2.333333333E-1 4.969476207E0 7

2.666666667E-1 1.491040666E1 8

3.000000000E-1 2.324226193E1 9

3.333333333E-1 3.108122387E1 10

3.666666667E-1 3.733626164E1 11

4.000000000E-1 4.136774392E1 12

4.333333333E-1 4.332695416E1 13

4.666666667E-1 4.309775158E1 14

5.000000000E-1 4.005003662E1 15

5.333333333E-1 3.234733595E1 16

5.666666667E-1 2.224315802E1 17

6.000000000E-1 1.201517111E1 18

6.333333333E-1 8.527757752E-2 19

6.666666667E-1 -7.714554768E0 20

7.000000000E-1 -1.992274985E1 21

7.333333333E-1 -2.988929941E1 22

7.666666667E-1 -3.866769245E1 23

8.000000000E-1 -4.455920276E1 24

8.333333333E-1 -4.786750999E1 25

8.666666667E-1 -4.932209546E1 26

9.000000000E-1 -4.841144386E1 27

9.333333333E-1 -4.539455443E1 28

9.666666667E-1 -3.946747849E1 29

1.000000000E0 -3.170342849E1 30



1.033333333E0 -2.289071452E1 31

1.066666667E0 -1.351976082E1 32

1.100000000E0 -3.618116314E0 33

1.133333333E0 6.615543185E0 34

1.166666667E0 1.686582003E1 35

1.200000000E0 2.661674403E1 36

1.233333333E0 3.471088365E1 37

1.266666667E0 4.142338550E1 38

1.300000000E0 4.601080030E1 39

1.333333333E0 4.849100840E1 40

1.366666667E0 4.861514301E1 41

1.400000000E0 4.547155925E1 42

1.433333333E0 4.063898923E1 43

1.466666667E0 3.263126127E1 44

1.500000000E0 2.078494204E1 45

1.533333333E0 8.523828655E0 46

1.566666667E0 -2.966847332E0 47

1.600000000E0 -1.538914295E1 48

1.633333333E0 -2.548439672E1 49

1.666666667E0 -3.332401087E1 50

1.700000000E0 -3.952703362E1 51

1.733333333E0 -4.356780633E1 52

1.766666667E0 -4.468447231E1 53

1.800000000E0 -4.446061922E1 54

1.833333333E0 -4.225661665E1 55

1.866666667E0 -3.802991661E1 56

1.900000000E0 -3.186465953E1 57

1.933333333E0 -2.398920834E1 58

1.966666667E0 -1.590617496E1 59



2.000000000E0 -7.495869601E0 60

2.033333333E0 1.324327919E0 61

2.066666667E0 1.109878459E1 62

2.100000000E0 2.107610530E1 63

2.133333333E0 2.965065930E1 64

2.166666667E0 3.758052517E1 65

2.200000000E0 4.342797849E1 66

2.233333333E0 4.677623984E1 67

2.266666667E0 4.684727627E1 68

2.300000000E0 4.516341390E1 69

2.333333333E0 4.009780015E1 70

2.366666667E0 3.217314600E1 71

2.400000000E0 2.063720823E1 72

2.433333333E0 8.527825501E0 73

2.466666667E0 -3.506758392E0 74

2.500000000E0 -1.583381460E1 75

2.533333333E0 -2.617723057E1 76

2.566666667E0 -3.411749676E1 77

2.600000000E0 -4.044424935E1 78

2.633333333E0 -4.520921588E1 79

2.666666667E0 -4.704328449E1 80

2.700000000E0 -4.700542522E1 81

2.733333333E0 -4.513542195E1 82

2.766666667E0 -4.095041044E1 83

2.800000000E0 -3.513407734E1 84

2.833333333E0 -2.893155585E1 85

2.866666667E0 -2.084015320E1 86

2.900000000E0 -1.103626423E1 87

2.933333333E0 -8.884534719E-1 88



2.966666667E0 9.060473522E0 89

3.000000000E0 1.900151242E1 90

3.033333333E0 2.720803549E1 91

3.066666667E0 3.504571118E1 92

3.100000000E0 4.093248360E1 93

3.133333333E0 4.495818184E1 94

3.166666667E0 4.620065447E1 95

3.200000000E0 4.505133987E1 96

3.233333333E0 4.093575272E1 97

3.266666667E0 3.350014145E1 98

3.300000000E0 2.407842093E1 99

3.333333333E0 1.392791953E1 100

3.366666667E0 2.961776729E0 101

3.400000000E0 -8.799125765E0 102

3.433333333E0 -2.081170771E1 103

3.466666667E0 -3.102539879E1 104

d) Obtén la ecuación de movimiento y los parámetros que caracterizan físicamente a la onda.

La ecuación de movimiento de una onda es v = λ * f.

La frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto en la unidad de tiempo y el periodo es el tiempo que tarda una onda en pasar por un punto.

Donde f = frecuencia medida en Hertz, vibraciones por segundo, ciclos por segundo, o 1/t.T = periodo



Por la fórmula f= c/s se deduce que f= 4/3.5 = 1.14 ciclos por segundo, aproximadamente. La distancia entre crestas λ llamada longitud de onda es igual a .83 segundos aproximadamente. La amplitud es igual a .50 cm

La velocidad de propagación es la velocidad con que se mueve una onda a través de un medio y es igual al producto de la longitud de onda por su frecuencia.La velocidad puede ser baja, como la onda que se mueve en un estanque de agua; puede ser moderada como la velocidad del sonido que viaja a 340 m/s aproximadamente dependiendo de la temperatura; o una velocidad muy alta como las ondas de radio, que viajan a 3 x 108

m/sEn este caso, la velocidad de propagación de la onda estudiada se calcula por la fórmula v = λ * f.

La velocidad de propagación de la onda estudiada es de v = .50 * 1.14. v = .57 m/s

Es una onda subsónica, ya que su intensidad en Hertz, no le permite ser escuchada por el oído humano.

e) Modela el movimiento de una partícula con las características de la onda obtenidas en la descripción del movimiento.



0 -4.80E+01 0

0.3333333 -4.53E+01 1

0.6666666 -4.09E+01 2

0.9999999 -3.32E+01 3

1.3333332 -2.48E+01 4

1.6666665 -1.52E+01 5

1.9999998 -4.79E+00 6

2.3333331 4.97E+00 7

2.6666664 1.49E+01 8

2.9999997 2.32E+01 9

3.333333 3.11E+01 10

3.6666663 3.73E+01 11

3.9999996 4.14E+01 12

4.3333329 4.33E+01 13

4.6666662 4.31E+01 14

4.9999995 4.01E+01 15

5.3333328 3.23E+01 16

5.6666661 2.22E+01 17

5.9999994 1.20E+01 18

6.3333327 8.53E-02 19

6.666666 -7.71E+00 20



6.9999993 -1.99E+01 21

7.3333326 -2.99E+01 22

7.6666659 -3.87E+01 23

7.9999992 -4.46E+01 24

8.3333325 -4.79E+01 25

8.6666658 -4.93E+01 26

8.9999991 -4.84E+01 27

9.3333324 -4.54E+01 28

9.6666657 -3.95E+01 29

9.999999 -3.17E+01 30

10.3333323 -2.29E+01 31

10.6666656 -1.35E+01 32

10.9999989 -3.62E+00 33

11.3333322 6.62E+00 34

11.6666655 1.69E+01 35

11.9999988 2.66E+01 36

12.3333321 3.47E+01 37

12.6666654 4.14E+01 38

12.9999987 4.60E+01 39

13.333332 4.85E+01 40

13.6666653 4.86E+01 41

13.9999986 4.55E+01 42

14.3333319 4.06E+01 43

14.6666652 3.26E+01 44

14.9999985 2.08E+01 45

15.3333318 8.52E+00 46

15.6666651 -2.97E+00 47

15.9999984 -1.54E+01 48



16.3333317 -2.55E+01 49

16.666665 -3.33E+01 50

16.9999983 -3.95E+01 51

17.3333316 -4.36E+01 52

17.6666649 -4.47E+01 53

17.9999982 -4.45E+01 54

18.3333315 -4.23E+01 55

18.6666648 -3.80E+01 56

18.9999981 -3.19E+01 57

19.3333314 -2.40E+01 58

19.6666647 -1.59E+01 59

19.999998 -7.50E+00 60

20.3333313 1.32E+00 61

20.6666646 1.11E+01 62

20.9999979 2.11E+01 63

21.3333312 2.97E+01 64

21.6666645 3.76E+01 65

21.9999978 4.34E+01 66

22.3333311 4.68E+01 67

22.6666644 4.68E+01 68

22.9999977 4.52E+01 69

23.333331 4.01E+01 71

23.6666643 3.22E+01 72

24.3333309 8.53E+00 73

24.6666642 -3.51E+00 74

24.9999975 -1.58E+01 75

25.3333308 -2.62E+01 76

25.6666641 -3.41E+01 77

25.9999974 -4.04E+01 78



26.3333307 -4.52E+01 79

26.666664 -4.70E+01 80

26.9999973 -4.70E+01 81

27.3333306 -4.51E+01 82

27.6666639 -4.10E+01 83

27.9999972 -3.51E+01 84

28.3333305 -2.89E+01 85

28.6666638 -2.08E+01 86

28.9999971 -1.10E+01 87

29.3333304 -8.88E-01 88

29.6666637 9.06E+00 89

29.999997 1.90E+01 90

30.3333303 2.72E+01 91

30.6666636 3.50E+01 92

30.9999969 4.09E+01 93

31.3333302 4.50E+01 94

31.6666635 4.62E+01 95

31.9999968 4.51E+01 96

32.3333301 4.09E+01 97

32.6666634 3.35E+01 98

32.9999967 2.41E+01 99

33.33333 1.39E+01 100

33.6666633 2.96E+00 101

33.9999966 -8.80E+00 102

34.3333299 -2.08E+01 103

34.6666632 -3.10E+01 104

f) Explica cuáles serían las características de una onda para ser transmitida desde un satélite artificial a algún lugar en la Tierra.



Propiedades

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. La longitud de onda va desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros, es importante para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Se expresa mediante la ecuación:λ f = c o v= λ * f

λ: longitud de ondaf: frecuenciac: velocidad de propagación de la luz

Una onda electromagnética con una longitud de onda de 1 nm tiene una frecuencia de aproximadamente 300 millones de GHz.

Ejemplo de la forma de evitar la interferencia y el ruido en las comunicacionesEncontrando la relación correcta de frecuencia y longitud de onda que puedan sortear los obstáculos como son las nubes , el polvo y las interferencias que provocan las manchas solares y otras fuentes de radiación naturales y artificiales, no creo que lleguen el 100% pero al menos se minimiza las perdidas.



Los satélites de comunicación por lo general tienen un haz que cubre una parte de la Tierra debajo de él, variando de un haz amplio de 10.000 km de diámetro hasta un haz localizado de 250 Km. de diámetro. Las estaciones dentro del área de haz pueden enviar marcos al satélite en la frecuencia de enlace ascendente. El satélite entonces vuelve a difundirlos por la frecuencia de enlace descendente. Se usan diferentes frecuencias para el enlace ascendente y descendente a fin de evitar que el transpondedor entre en oscilación. Los satélites sin procesamiento "a bordo", sino que simplemente repiten lo que escuchan (la mayoría de ellos), con frecuencia se llaman satélites de codo.

Ejemplo:La difracción o la refracción de la luz son fenómenos muy visibles en la vida diaria, por ejemplo, al observar las pompas de jabón, que reflejan decenas de colores brillantes. Otra experiencia es la de ver en la calle, después de que ha llovido, el agua que cayó sobre aceite. Se pueden identificar en el charco de agua diversos colores.

a) Expliquen por qué se da el cambio en los patrones cuando cambias una fuente de luz a diferente color.

En este caso en particular, un rayo luminoso experimenta un cambio de dirección y sentido al chocar contra la superficie de separación de dos medios, como la rendija o las rendijas utilizadas en la simulación.

Una reflexión regular ocurre cuando la superficie reflectora es lisa. Una reflexión irregular ocurre porque la superficie reflectora es rugosa.Ahora si el rayo luminoso atraviesa oblicuamente la superficie entre las rendijas va a experimentar un cambio de dirección.

Estos fenómenos son ejemplos de la interferencia de luz, que ocurre cuando dos haces de luz llegan al mismo espacio delimitado. El efecto producido por estas dos ondas en cada punto es la combinación de ambas. En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible 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 debe finalmente dispersarse en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

Ahora como la luz visible es una línea más o menos larga de longitudes de onda, si se cambia el color de la luz, se desvía el haz de luz visible aunque el emisor láser esté siempre inmóvil, colocado en la misma posición; es por ello, que la luz del láser luego de atravesar las rendijas sufrirá una desviación en su trayectoria y estará afectada más o menos por el fenómeno de interferencia.

La interferencia 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.



Las ondas se mueven por el espacio exactamente de esa forma, son ondas, por lo que tienen valles y crestas.

Cuando se cruzan dos crestas sus efectos se suman, aumentando la amplitud de las ondas por lo que se produce interferencia constructiva.

Si lo que se unen son los valles también aumenta su amplitud, ya que se genera interferencia constructiva.

En el caso opuesto, al encontrarse un valle de una onda A con la cresta de una onda B, se anula completamente la onda, causando interferencia destructiva, puesto que se encuentran en oposición de fase.

a) Expliquen porqué se da el cambio en los patrones cuando cambias una fuente de Luz a diferente color.

La difracción es el fenómeno de propagación no rectilínea de la luz por el cual las ondas luminosas bordean los obstáculos y queda perfectamente explicado con la teoría ondulatoria de Huygens, donde cada punto de un frente de ondas se puede considerar emisor de ondas esféricas.



Cuando una onda encuentra un obstáculo, una parte es absorbida por el obstáculo y no emiten más, pero las ondas emitidas desde los puntos que quedan libres siguen avanzando de manera esférica, alcanzando las regiones que el obstáculo no permite ver a simple vista.

La onda difractada será entonces una perturbación de menor intensidad que la onda original. Para observar este fenómeno se requieren fuentes luminosas focalizadas y luz monocromática.

Cuando el ancho de la ranura es grande comparado con la longitud de onda, los frentes de onda del otro lado del obstáculo siguen siendo aproximadamente planos. El espectro de la luz visible presenta un rango de longitudes de onda de 400 a 700 nm.



Cuando un patrón luminoso atraviesa una dola rendija o través del borde de un obstáculo se flexionan de cierta manera hacia la región que no está directamente expuesta a la fuente de luz. El grado de difracción de una onda al atravesar un obstáculo depende del tamaño del mismo comparado con la longitud de onda. Si el rayo láser de color se rojo se expone variablemente a la rendija con una apertura gradual y creciente, se verá fácilmente porque el haz de luz láser tiende a ser bloqueado por el ancho de la rendija. Si la rendija es mayor que el haz de luz láser rojo se bloqueará la mayor parte del láser puesto que la apertura es igual o idéntica a la anchura de la longitud de onda de la luz roja. En cambio, si la rendija se cierra, haciéndola más pequeña que la anchura del haz de luz se verá cómo la mayor parte del haz pasa sin interferencia a través de la rendija, puesto que la misma rendija se comporta incluso como una fuente secundaria de luz. El mismo efecto se vería en el caso de haber una tercera rendija, funcionaría como una tercera fuente luminosa, dejando pasar solo la parte del haz de luz que mantiene la misma longitud de onda igual o idéntica al ancho de abertura de la rendija.

Si la longitud de onda es mucho menor que las dimensiones del obstáculo, en este caso, la pared que contiene la rendija, no se observará difracción.Si la longitud de onda es grande respecto de la rendija, la difracción es muy notable.



La difracción no se produce solamente cuando la luz atraviesa una pequeña abertura, puede producirse el mismo efecto colocando delante del haz de luz un objeto filoso de manera tal que al incidir la luz sobre su filo, difracte.

Cuando se presenta la situación de tener doble rendija y doble fuente se verá un fenómeno que se puede observar igualmente en un cuerpo de agua, cuando se generan un par de ondas provenientes de un par de fuentes, intentando atravesar un obstáculo, solo aquellas regiones de las ondas que desarrollen igual tamaño de anchura que las rendijas podrán ser las que atraviesen el obstáculo; mientras el resto de las ondas es rechazado y rebotado una y otra vez a lo largo y ancho del cuerpo, generando ondas circulares.



Huygens había ya previsto este fenómeno cuando propuso que: “cada punto de un frente de onda puede considerarse como una nueva fuente de ondas secundarias”. En el caso de la luz la difracción solo se observa cuando las dimensiones de la abertura de la rendija o de cualquier otro obstáculo son comparables a la longitud de las ondas que inciden sobre ellos. Lo mismo sucede en la superficie del agua y en las ondas sonoras. La interferencia constructiva ocurre en el momento en que la diferencia de la longitud de las ondas sea igual a 0, λ, 2λ, 3λ, 4λ… nλ, donde λ es la longitud de onda de la luz; las condiciones para las franjas claras de luz están dadas por

d sen θ = nλ, n= 0, 1, 2, 3, 4…



Donde d es la separación de ranuras y θ es el ángulo que forma la franja con el eje.Las condiciones necesarias para la formación de franjas oscuras se da cuando la diferencia en las trayectorias es

Entonces la interferencia destructiva cancelará las ondas, ya que las franjas oscuras se presentan cuando

para n = 1, 3, 5 …

Las ecuaciones entonces estarán dadas por

sen θ ≈ tan θ =

De este modo, con la anterior ecuación se puede medir cualquier longitud de onda y saber que fenómeno está afectando la generación y propagación de las ondas, en todo caso, la interferencia constructiva y la destructiva.



En el espectro electromagnético los rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de los cristales y otros materiales con estructura periódica. Esta técnica se utilizó para intentar descubrir la estructura del ADN, y fue una de las pruebas experimentales de su estructura de doble hélice propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg.Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones. En los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a favor de la descripción ondulatoria que realiza la mecánica cuántica de las partículas subatómicas.

Ejemplo del sistema para la toma de imágenes y el dispositivo para obtener energía eléctrica.Los satélites tienen detectores y sensores en casi todas las gamas de campo electromagnético, asi como en las frecuencias de luz visible que son las fotos convencionales hasta sensores que detectan otras longitudes de onda.

Los instrumentos de observación dependen del objeto del estudio; variando desde observación en el espectro visible, las microondas, etc.

La mayoría de satélites se limitan a instrumentos pasivos, esto es, a recoger la radiación ya presente, principalmente en el espectro visible. Dichos satélites van equipados con lentes similares a las de un telescopio terrestre, una cámara CCD, etc.

Los tipos de detectores de partículas incluyen:

Calorímetro Cámara de burbujas Cámara de chispas Cámara de flujo, cámara de chorro Cámara de niebla, cámara de difusión Cámara de proyección de tiempo (TPC) Cámara gaseosa de microestructura (MSGC)



Cámara de hilos o proporcional de multihilos (MWPC) Centelleador Detector Cherenkov, detector de aerogel Detectores de ionización gaseosa (cámara de ionización, contador proporcional,

contador Geiger) Detector de tiempo de vuelo Detector de transición de radiación Detector RICH Detector semiconductor Dosímetro Electroscopio Fotodiodo Fotomultiplicador Fotomultiplicador de silicio o SiPM Placa fotográfica Tubo de corriente

4. Describir el dispositivo para obtener energía eléctrica, usa los resultados de la práctica 3

En el espacio exterior hay luz ultravioleta, se denomina radiación ultravioleta o radiación UV a la radiación electromagnética cuya longitud de onda está comprendida aproximadamente entre los 400 nm (4x10-7 m) y los 15 nm (1,5x10-8 m). Su nombre proviene de que su rango empieza desde longitudes de onda más cortas de lo que los humanos identificamos como el color violeta. Esta radiación puede ser producida por los rayos solares y produce varios efectos en la salud.

5. Elaborar un mapa mental de la implementación del proyecto en lo que se refiere a los modelos corpuscular y ondulatorio de la luz, elementos de óptica y mecánica cuántica.


Luz BlancaLongitud de onda Mayor

Longitud de

Onda Menor

Descomposición de la luz blanca por medio de in prismaPrisma


Figura 5. Modelo de la descomposición de la luz Blanca.

Ejemplo:

Una placa de metal pulida, especialmente sodio cargado negativamente, pierde su carga si se expone a la luz ultravioleta. Este fenómeno se llama efecto fotoeléctrico.

En el circuito eléctrico presente, a la luz ultravioleta dirigida sobre la placa de sodio se le aplicará un diferencial de potencia, o voltaje, de modo que se carguen eléctricamente tanto el ánodo como el cátodo; si el cátodo se carga negativamente, el haz de luz incidente en la placa de sodio liberará electrones, que afectados por la carga positiva del cátodo, saldrán disparados del sistema en direcciones desiguales, debido a que cargas iguales se rechazan y el ánodo estará negativo. Si el ánodo es cargado de manera correcta con el voltaje adecuado, es decir el circuito se encuentra en positivo y el ánodo por lo tanto, tiene carga negativa, la placa despedirá un haz de electrones que irá a caer directamente en el cátodo, creando de este modo una corriente positiva y continua en el circuito.

3. Identifica la función de trabajo del Cesio.

No todos los metales son susceptibles de liberar electrones, ya que no todos son conductores de manera natural, o se requieren ciertas condiciones físicas especiales que les permitirán liberar electrones cuando un haz de luz les afecta. La teoría especifica que un fotón no es suficiente para liberar un electrón, es por ello que un haz de luz debajo del rango del color verde no permitirá que la placa libere electrones. Incluso si el haz de luz es más alto y se encuentra en el rango del ultravioleta la cantidad de electrones liberados por la incidencia de los fotones será aún mayor.

3. Identifica la función de trabajo del Cesio.

El papel del Cesio colocado como placa base es recolectar los electrones que salen despedidos del cátodo, al ser excitados por el haz de luz con la longitud de onda adecuada.



4. Explica cómo se relaciona la longitud de onda con la función de trabajo del metal sobre el que incide la luz.

El efecto fotoeléctrico puede ocurrir con otros metales, pero bajo la condición específica de que la onda de luz sea lo suficientemente pequeña con la finalidad de, al momento de incidir en la placa, se puedan liberar electrones. El efecto solo se logra por debajo de los límites de onda de luz específico del metal, por lo que se requiere ubicar la longitud de onda a la cual “vibra” determinado metal con la finalidad de poder liberar sus electrones.

Einstein predijo que la luz eran ondas-partículas, moviéndose constantemente por el espacio. Los haces de luz también chocan, rebotan y viajan sin cesar, a partir de que son generados. Si estos haces de luz se vuelven intensos y se les hace impactar una placa de metal, posiblemente no liberen electrones por el solo hecho de la potencia luminosa. Se deberá buscar la onda de luz a la cual el metal entonces puede reaccionar liberando electrones, es decir, se requiere potencia lumínica, sumada a la longitud de onda a la cual se liberan electrones de la placa base. Se puede colocar una placa de sodio, otro metal, susceptible de liberar electrones. Así mismo mercurio, o incluso potasio.

6. Identifica el metal desconocido.

El sodio (Na) emite en el amarillo (bandas de longitudes de onda de 5896 A y 5890 A).



Más o menos la cantidad mostrada por el simulador 5.57 x 1014 Herz, pasando por supuesto por el color amarillo.

El segundo metal que aparece con el título desconocido (UNKNOWN) podría ser Calcio, puesto que se trata de un metal, y no de un gas.

El Calcio emite en la longitud de onda del espectro visible 6162 A (amarillo-naranja), 4454 A y 4435 (color añil) y 4226 A (violeta)

7. Explica cómo es posible usar los rayos de sol y que material sería viable utilizar para producir electricidad en el espacio exterior.

Por medio de la vía fotovoltaica se recogería energía solar, que se transformará en corriente eléctrica continua, mediante células fotovoltaicas que se encuentran formadas por un par de capas, superpuestas una sobre la otra. Una célula fotovoltaica es un dispositivo generador de energía eléctrica que está constituido por materiales semiconductores con ciertos tipos de impurezas: la primera de ellas es un cristal de silicio con impurezas de fósforo; y la segunda, un cristal de silicio con impurezas de boro. Cuando el sol ilumina la célula, la energía de la radiación luminosa provoca una corriente eléctrica en el interior de la misma, generando una fuerza electromotriz entre dos electrodos colocados respectivamente, a cada capa de la célula.

A modo de conclusión, Albert Einstein dio la explicación en 1905: La luz está constituida por partículas (photones), y la energía de tales partículas es proporcional a la frecuencia de la luz. Existe una cierta cantidad mínima de energía (dependiendo del material) que es necesaria para extraer un electrón de la superficie de una placa de zinc u otro cuerpo sólido (función trabajo). Si la energía del fotón es mayor que este valor el electrón puede ser emitido. De esta explicación obtenemos la siguiente expresión:



Ecin = h f – W Donde:

Ecin Es la energía cinética máxima de un electrón emitido

h = Constante de Planck

f = frecuencia

W = trabajo

Conclusiones:

Modelamos el comportamiento ondulatorio corpuscular de un fenómeno físico mediante el uso de los conceptos y principio de óptica, mecánica, clásica y mecánica cuántica para describir dispositivos óptico-electronicos, y de este modo determinamos describir los fenómenos ondulatorios y corpusculares, y el uso adecuadamente de las ondas y fenómenos que indican si se trata de un comportamiento corpuscular de difracción, interferencia o refracción.

Bibliografía

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Rodríguez, José; Virgos, José M. Fundamentos de óptica ondulatoria. Universidad de Oviedo.

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