UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de física
LABORATORIO DE FISICA III
EXPERIENCIA No A – L8 Microondas I
GRUPO: I1ASUBGRUPO: 2 Juan Manuel Rey COD: 2070170 Pedro Pablo Vergara COD: 2070405 Jenniffer Molano COD: 2070006
Fecha de realización de la práctica: 25 de Noviembre de 2008 Fecha de entrega del informe: 9 de Diciembre de 2008 Bucaramanga, II semestre de 2008
OBJETIVOS
Realizar un estudio cualitativo del las Ondas Electromagnéticas. Analizar la variación del campo magnético y del campo eléctrico en diferentes puntos del espacio. Determinar características espaciales de los Campos Eléctricos y Magnéticos que conforman las Microondas Analizar características del fenómeno de polarización en las Ondas Electromagnéticas Medir las señales del campo recibidas cuando este atraviesa un material que en su interior absorbe energía. ANALISIS E INTERPRETACION DE DATOS
Parte I: a) Distribución del Campo Transversal.
1. Normalizando los valores obtenidos para las mediciones del campo en forma transversal y tomando como U 4500 [mV ] . Obtenemos los siguientes valores: o
Uo = 4500 [mV] Y [cm] -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15
X = 10 [cm] U [mV]
118 120 130 750 5900 4500 450 130 125 123 105
X = 20 [cm] U [mV]
170 500 1100 1950 2300 1800 890 420 170 130 120
=
X = 10 [cm] U/Uo
X = 20 [cm] U/Uo
0,03 0,03 0,03 0,17 1,31 1,00 0,10 0,03 0,03 0,03 0,02
0,04 0,11 0,24 0,43 0,51 0,40 0,20 0,09 0,04 0,03 0,03
MUESTRA DE DATOS
U= 118 [mV]
Uo = 4500 [mV]
U/Uo = 118 [mV]/ 4500 [mV] = 0,03 ANALISIS Del análisis de las graficas, las cuales se encuentran representadas en la grafica 1. Vemos que para cuando nos encontramos a una distancia perpendicular de 10 [cm] de la guía de onda y nos desplazamos en forma transversal, los valores de las razones obtenidos aumentan con respecto a otras mediciones realizadas a una distancia mayor de la guía de onda. A pesar de que este experimento consistía en la medición de ciertas características de las microondas, las cuales no se pueden percibir, podemos observar un comportamiento simétrico con respecto a un punto, donde experimentalmente el campo obtiene un valor máximo. Este se encuentra a una distancia de -3 [cm], (3 [cm] medidos hacia la derecha de la guía de onda y del punto de referencia.) y la normalización del campo para una distancia de x=10 [cm] alcanza un valor máximo de 1.31, y para x=20 [cm] alcanza un valor máximo de 0,51. Observemos otra característica importante del comportamiento del campo transversal, cuando nos alejamos de la guía de onda; la normalización de este tiende a ser cero por lo que el campo se va perdiendo en la distancia. Característica que es propia de un campo eléctrico, el cual es proporcional al cuadrado del inverso de la distancia. Como la sonda mide la componente del campo eléctrico que es paralela al eje longitudinal del la sonda, vemos que esta componente disminuye a medidas que nos alejamos en forma transversal a la guía de onda. Sin embargo para las mismas distancias, pero en diferentes longitudes medidas a partir de la guía de onda, es decir para x=10 [cm]; la intensidad del campo eléctrico medido por la sonda es mayor que cuando nos encontramos en x=20 [cm], lo que confirma que el campo tiende a disminuir cuando nos alejamos de la guía de onda. Se mantienen sus características propias.
b) Distribución del campo longitudinal.
Para normalizar los valores del campo longitudinal tomamos como nuestro valor de referencia el mismo utilizado para el anterior procedimiento. Del cual obtenemos que los valores normalizados son:
X [cm] 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40
Uo =4500 [mV] U [mV]
U/Uo
6700 3300 3100 2600 2400 2020 1530 1400 1200 1080 920
1,49 0,73 0,69 0,58 0,53 0,45 0,34 0,31 0,27 0,24 0,20
MUESTRA DE DATOS U= 6700 [mV] Uo = 4500 [mV] U/Uo = 6700 [mV]/ 4500 [mV] = 1,49
Después de la interpolación de los puntos obtenidos, y de trazar una curva suave, observamos en la Grafica 2 se presentan características semejantes a las de un campo electromagnético, donde sus componentes disminuyen con respecto a las distancias medidas a las fuentes. Para todos los valores tomados a distancias diferentes, medidas con respecto a la guía de onda la componente del campo eléctrico en esta dirección disminuye con la distancia, y tiende a creo en la lejanía. Para un análisis teórico si comparamos el comportamiento de la función U : 1 , con el obtenido experimentalmente, vemos que presentan un r comportamiento semejante, donde ambas tienen a disminuir con respecto a la distancia, claro que lo que se hace es una aproximación debida a que el comportamiento del campo esta regido por constantes propias de las ondas y del medio. 2
En esta misma grafica, podemos comparar la curva que describe el comportamiento de la intensidad del campo y una hipérbola cuadrática.
Ambas van a ser similares, y por consiguiente se cortaran en un valor muy grande, que podemos llamar infinito. Con lo cual confirmamos que las mediciones son coherentes con las características de este tipo de ondas, y que pese a los posibles errores en las mediciones por la inestabilidad de los valores en los equipos de medición, estos describen el comportamiento deseado.
c) Polarización:
La polarización de las microondas se realizó únicamente para cuando la guía de onda se encontraba de forma horizontal. Debido a los valores simétricos y de las características de los campos eléctricos y magnéticos, estas polarizaciones son iguales de forma horizontal o vertical. Después de normalizar los valores, obtenemos:
Ø [grados] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Uo =4500 [mV] U [V]
U/Uo
1950 1920 1740 1320 940 510 250 150 130 120 140 180 320 470 750 1050 1420 1750 1960
0,43 0,43 0,39 0,29 0,21 0,11 0,06 0,03 0,03 0,03 0,03 0,04 0,07 0,10 0,17 0,23 0,32 0,39 0,44
De la grafica 3, obtenemos que los valores del campo tomados detrás del polarizador de red tienden a tener un valor máximo cuando el ángulo que forma con la vertical es cero grados, en esta posición donde al ser el polarizador paralelo a la guía de onda no se polariza la onda, por lo
que la señal recibida es total. Observamos que el valor del campo tiende a disminuir y llegar un valor muy pequeño cuando nos acercamos hacia los 90°. En los 90° el polarizador es perpendicular a la guía de onda por lo que la intensidad percibida es menor debido a que solo atraviesa el polarizador las ondas que sean paralelas a este. Una vez que nos alejamos de 90° y tendemos a tener un ángulo de 180°, el polarizador es totalmente paralelo a la guía de onda por lo que la totalidad de las ondas atraviesan el polarizador. Observamos que este comportamiento será periódico, debido a que los ángulos tienden a repetirse. Las componentes de las ondas electromagnéticas que no son polarizadas, usualmente varían de maneras senoidales o cosenoidales, en función de los ángulos de polarización. Las funciones sen 4Ф y cos2Фsen2Ф están asociadas a las componentes que superan al polarizador de red, y hacen varían las intensidades de campo medidas detrás de el, dependiendo de la forma en que se encuentre la guía de onda (verticalmente u horizontalmente). La grafica obtenida por los valores hallados en el laboratorio tiene las mismas características que estas funciones teóricas, ya que su comportamiento es periódico y se puede describir como una función senoidal o cosenoidal, semejante a las descritas teóricamente. Las microondas ¿Son ondas longitudinales o transversales? ¿Pueden polarizarse?
Las microondas por tratarse de ondas electromagnéticas, tienen componente del campo eléctrico y magnético (perpendiculares entre sí), son transversales y pueden polarizarse, lo cual se comprobó en la práctica en el momento en que se hizo girar el polarizador cada 10˚, ya que si las microondas no se lograran polarizar no se hubiese presentado variación alguna al girar el polarizador. ¿Cómo cambia la señal transmitida de la antena de bocina al aumentar la distancia? A grandes distancias ¿Cómo es la relación entre el campo eléctrico de la señal y la distancia?
Según los datos de la tabla de datos de medidas de la intensidad del campo con variaciones de distancias transversales, a medida que aumenta la distancia, la señal que se percibe es menor, y esta variación es máxima en los puntos más cercanos a la bocina. De modo que si se hubieran realizado más mediciones (a mayor distancia), los cambios de señal hubiesen sido mínimos y por consiguiente se obtendrían valores muy cercanos a 920mV, correspondiente a la diferencia de potencial a una distancia de 40cm.
Parte II a) Absorción
La tabla de datos refleja los valores obtenidos sobre la intensidad del campo que traspasa diferentes materiales.
Porcentaje de absorción de diferentes materiales Material
Placa dieléctrica PVC 0,3cm de ancho Espuma seca Espuma mojada Madera 0,5cm de ancho Icopor 2,2cm de ancho
U [v]
A
3,3
0,029
1,83
0,462
1,25
0,632
2,8
0,176
3,3
0,029
Muestra de cálculos para determinación de A con placa dieléctrica PVC como material
Según los datos calculados, es posible afirmar que el material que mejor absorbe la radiación utilizada es la espuma mojada, ya que presenta un
porcentaje del 63.2%, de modo que absorbió más de la mitad de la radiación electromagnética. La placa dieléctrica de PVC y el icopor, a pesar que presentan propiedades físicas y químicas muy diferentes muestran los porcentajes más bajos de absorción (2.9%), lo cual indica que no son útiles para absorber la radiación de microondas. El orden decreciente de eficiencia en absorción de los materiales esta dado por: 1. Espuma mojada 2. Espuma seca 3. Madera 0,5cm de ancho 4. Placa dieléctrica PVC 0,3cm de ancho 4. Icopor 2,2cm de ancho Debido a que la espuma mojada presentó un mayor porcentaje de absorción que la seca, se puede deducir que el agua tiene la propiedad de poder absorber la radiación electromagnética CONCLUSIONES
Las ondas electromagnéticas, a pesar de no poderse visualizar, presentan propiedades claras que las distinguen de otros tipos de ondas. Se pueden absorber, se pueden polarizar, se pueden medir, y su intensidad es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia entre el lugar donde se realicen la medición y la fuente. Todas estas propiedades, fueron analizadas en este laboratorio, y a pesar de la dificultad en la toma de valores debido a la inestabilidad de los voltajes en el aparato de medición, los datos reflejados son coherentes y corresponden a los comportamientos esperados teóricamente. Por lo que es posible concluir que el procedimiento, análisis, y consulta teórica del laboratorio, fueron muy bien realizados.
La intensidad del campo disminuye proporcionalmente al inverso del cuadrado de la distancia de separación, entre el punto de medición y la fuente. Por esto, la grafica respectiva tiene un comportamiento hiperbólico. Este valor se ve afectado por diferentes constantes que dependen del medio.
Las microondas por ser ondas electromagnéticas se ajustan a todas sus características, de propagación espacial. Por tener frecuencias muy altas, y longitudes de onda muy pequeñas, son ondas con altos niveles energéticos, y debido a esto con muchas utilidades. Se deben manipular con mucha precaución por que pueden llegar a ser peligrosas para la salud.
El Polarizador de red utilizado nos permitió encontrar una relación entre el ángulo de giro y la intensidad del campo percibido detrás de este. Estas funciones siempre son de carácter senoidal o cosenoidal, y por consiguiente periódicas. Y sus valores iníciales depende de la forma como se tome el ángulo de referencial inicial y la posición de la guía de onda respecto a este (vertical u horizontal).
Algunos materiales tienen mejores propiedades de absorción que otros, y esto depende de las características físicas y químicas de cada uno. En el laboratorio el material con mejor índice de absorción fue la espuma mojada, y luego la espuma seca, debido a esto es posible concluir también que el agua tiene condiciones favorables para la absorción de las ondas electromagnéticas, y que aumenta el índice de absorción con su presencia.
