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4.4.2: Simulación de antena

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    En esta simulación se ve un electrón oscilante en una antena emisora a la izquierda. Debido a que los electrones tienen un campo eléctrico, un electrón acelerante creará una onda en el campo eléctrico que lo rodea. Los campos magnéticos se crean al mover cargas por lo que una onda magnética también está formada por una carga acelerante. Solo se muestra el componente y del cambio en el campo eléctrico (por lo que una frecuencia de oscilación de cero no mostrará nada, porque solo hay un campo eléctrico constante). No se muestran los campos magnéticos.

    El tipo más simple de antena receptora se puede aproximar por cargas libres (electrones) restringidas por un cable metálico. Para una antena receptora orientada en la dirección y, un campo oscilante que viaja en la\(x\) dirección -hará que las cargas en el receptor oscilen en la dirección y con la misma frecuencia que la onda (las cargas no pueden moverse en la\(x\) dirección -porque están confinadas al cable). Esta corriente oscilante puede entonces ser analizada por circuitos electrónicos para extraer la señal transmitida. Una regla general es que para una recepción más fuerte, la antena receptora debe tener aproximadamente la misma longitud que la longitud de onda de la onda que está tratando de recibir.

    Para simplificar esta simulación tiene cargas positivas oscilantes en las antenas de envío y recepción. (Los electrones sienten una fuerza en la dirección opuesta al campo aplicado). El tiempo se mide en microsegundos (\(10^{-6}\text{ s}\)).

    Preguntas de Simulación:

    1. Ejecuta la simulación y describe lo que ves. ¿La carga de la antena receptora comienza a oscilar inmediatamente? ¿Por qué o por qué no?
    2. Pruebe diferentes frecuencias de oscilación. ¿Cómo se compara la frecuencia de la carga de envío con la frecuencia de oscilación de la carga en la antena receptora?
    3. Use el botón paso para encontrar el lapso de tiempo entre el momento en que la carga de la fuente comienza a oscilar y cuando el receptor comienza a oscilar. Si la antena receptora está\(1.6\times 10^{3}\text{ m}\) lejos, ¿cuál es la velocidad de la onda?
    4. Repita el ejercicio anterior con diferentes frecuencias de oscilación. ¿Cambiar la frecuencia de oscilación cambia la velocidad que la onda viaja en la\(x\) dirección -dirección? ¿Qué cambia si cambia la velocidad de oscilación? (Pista: Recordemos que\(v=\lambda f\) dónde\(v\) está la velocidad de la ola.)
    5. ¿Qué nota acerca de la amplitud de la onda a medida que se aleja de la antena emisora? Explique.

    Resumen del Capítulo Cinco

    Para las ondas transversales el movimiento es hacia arriba y hacia abajo mientras la ola avanza. Los ejemplos incluyen ondas de agua, ondas electromagnéticas y ondas S sísmicas. En las ondas longitudinales (compresionales) el movimiento es de ida y vuelta en la misma dirección en la que viaja la onda. Las ondas sonoras y las ondas P sísmicas son ejemplos. Las mismas ecuaciones y comportamiento se aplican a todo tipo de ondas.

    Preguntas sobre los tipos de onda:

    \(f=1/T\qquad v=f\lambda\qquad v=\omega /k\qquad k=2\pi /\lambda\qquad \omega =2\pi f\qquad y(x,t)=A\cos (kx-\omega t+\phi )\)

    1. Dar una definición de longitud de onda. ¿En qué unidades se mide la longitud de onda?
    2. ¿Cuál es la diferencia entre longitud de onda y período? ¿Cómo se mide cada uno?
    3. Dar una definición y ejemplo de una onda transversal, una onda longitudinal y una onda torsional.
    4. Supongamos que tienes un slinky estirado entre tú y otra persona. Describe lo que harías a tu fin para hacer
      1. una onda transversal
      2. una onda longitudinal
      3. una onda torsional.
    5. En la siguiente gráfica, determine el período y la longitud de onda de la onda en la cuerda. Cada bloque en la gráfica inferior es de un metro, el tiempo es en segundos como se muestra en la gráfica superior.

    clipboard_e2a785d71cd7c89851c77443023614f10.png

    Figura\(\PageIndex{1}\)

    1. En la siguiente gráfica, determine el período y la longitud de onda de la onda en la cuerda. Cada bloque en la gráfica inferior es de un metro, el tiempo es en segundos como se muestra en la gráfica superior.

    clipboard_ecf7020aeec566cf35fe13de932ce0173.png

    Figura\(\PageIndex{2}\)

    1. ¿Por qué las ondas longitudinales a veces se llaman ondas de compresión?
    2. ¿Qué son las compresiones y rarefacciones en las ondas sonoras?
    3. ¿Cómo se conecta el movimiento armónico simple (una masa en un resorte) al movimiento de olas para ondas transversales (Pista: Mira la simulación de ondas transversales.)?
    4. ¿Cómo se conecta el movimiento armónico simple (una masa en un resorte) con el movimiento de las olas longitudinales?
    5. ¿Qué son las ondas S y las ondas P?
    6. Describir los principales tipos de olas sísmicas superficiales.
    7. ¿Una ola de agua es longitudinal, transversal o ambas? Explique.
    8. Encuentra la longitud de onda de una onda de\(20\text{ Hz}\) sonido (aproximadamente la nota más baja que los humanos pueden escuchar) y la longitud de onda de una onda de\(20,000\text{ Hz}\) sonido (aproximadamente la nota más alta que los humanos pueden escuchar). Supongamos que la velocidad del sonido es\(343\text{ m/s}\).
    9. ¿Cuál es la conexión entre el simple movimiento armónico y los puntos de una cuerda cuando la cuerda tiene una ola viajando sobre ella?
    10. En la siguiente gráfica, determine la longitud de onda de la onda. X se mide en centímetros.

    clipboard_e505d14d49ceba99be81fe341756c4d36.png

    Figura\(\PageIndex{3}\)

    1. En la gráfica anterior, ¿cuál es la amplitud de la onda?
    2. En la siguiente gráfica, determine el periodo de la ola.

    clipboard_e3615dc026c00c8c687c062ffe9211080.png

    Figura\(\PageIndex{4}\)

    1. Para la gráfica anterior, ¿cuál es la frecuencia de la onda?
    2. Para la gráfica anterior, ¿cuál es la amplitud de la onda?
    3. ¿Cuál es la frecuencia angular,\(\omega\), para una onda de\(20\text{ Hz}\) sonido? (Pista: Ver parte superior de la página).
    4. ¿Cuál es el vector de onda,\(k\), para una onda sonora de\(4.0\) metro?
    5. ¿Qué son las ondas electromagnéticas? Dé algunos ejemplos.
    6. ¿Cuál es la diferencia entre las ondas sonoras y las señales de radio?
    7. ¿Por qué podemos ver luz visible pero no otro tipo de ondas electromagnéticas?
    8. ¿Cuál es la diferencia entre un rayo gamma y una luz visible?
    9. ¿Cuál es la diferencia entre radiación ionizante y radiación no ionizante?
    10. ¿Por qué las señales de los teléfonos celulares no pueden causar cáncer pero los rayos X pueden (ambos son ondas electromagnéticas)?
    11. ¿Cuál es la longitud de onda de una señal de radio de\(89.3\text{ MHz}\), dado que\(\text{M} =\) Mega\(= 106\) y la velocidad de las señales de radio son las mismas que light (\(3.0\times 10^{8}\text{ m/s}\))?
    12. Calcula la frecuencia de tu color favorito. Pista: Nanómetros\(=\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}\).

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