Evidencia de aprendizaje

2013Evidencia de aprendizajeUso de las leyes de Maxwell y dispositivos electrnicosMAURICIO GOMEZ OJEDAINTEGRANTE: MAURICIO GOMEZ OJEDA

OBJETIVO.En esta actividad se pretende realizar un repaso con la intencin de mejorar la comprensin de los temas estudiados en la Unidad 3 denominada electromagnetismo de la materia de Fsica Los temas a revisar son los siguientes:Prctica 1. Fuerza de LorentzPrctica 2. Ondas electromagnticasPrctica 3. Modelo de un circuito RLC con bateraINTRODUCCION.El modelar un satlite artificial que gire alrededor de la tierra necesitamos integrar y comprender las leyes de Newton, ley de gravitacin universal y movimiento circular.MARCO TEORICOLey de Lorentz.La ley de fuerza fundamental del electromagnetismo es la ley de Lorentz, que podemos enunciar, para cargas que se mueven con velocidades arbitrarias v , o para cargas y corrientes distribuidas sobre un volumen.La magnitud de la fuerza que se ejerce sobre la partcula es proporcional al campo magntico, a la carga y a la velocidad de la partcula, la direccin de la fuerza depende de la direccin del campo magnticoEn primer lugar se postula la existencia de unas entidades que llamaremos cargas, y cuya magnitud q mediremos comparando las fuerzas ejercidas sobre distintas cargas situadas en condiciones idnticas. La fuerza detectada puede descomponerse en dos trminos, uno independiente de la velocidad, que llamaremos fuerza elctrica, y otro dependiente de la misma, que llamaremos fuerza magntica. La fuerza de Lorentz es la fuerza ejercida por el campo electromagntico que recibe una partcula cargada o una corriente elctrica.}F = q * [ E + ( v X B ) ]F = Fuerza de Lorentz q= Carga de la partcula E = Fuerza elctrica v = vector de velocidad B = vector del campo magnticoOndas electromagnticas.Las ondas luminosas son ondas electromagnticas cuya frecuencia est dentro del rango de la luz visible.Quiz el mayor logro terico de la fsica en el siglo XIX fue el descubrimiento de las ondas electromagnticas. El primer indicio fue la relacin imprevista entre los fenmenos elctricos y la velocidad de la luz.En la naturaleza, las fuerzas elctricas se originan de dos formas. Primero est la atraccin o la repulsin elctricas entre las cargas elctricas (+) y (-). Es posible definir una unidad de carga elctrica como la carga que repele a otra carga similar a la distancia de, podemos decir, 1 metro con la fuerza de la unidad de fuerza utilizada (las frmulas usuales lo definen con ms precisin).Las ondas electromagnticas son transversales; las direcciones de los campos elctrico y magntico son perpendiculares a la de propagacin. Una onda electromagntica es la forma de propagacin de la radiacin electromagntica a travs del espacio. Y sus aspectos tericos estn relacionados con la solucin en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecnicas, las ondas electromagnticas no necesitan de un medio material para propagarse; es decir, pueden desplazarse por el vaco. Las ondas luminosas son ondas electromagnticas cuya frecuencia est dentro del rango de la luz visible. Quiz el mayor logro terico de la fsica en el siglo XIX fue el descubrimiento de las ondas electromagnticas. El primer indicio fue la relacin imprevista entre los fenmenos elctricos y la velocidad de la luz. En la naturaleza, las fuerzas elctricas se originan de dos formas. Primero est la atraccin o la repulsin elctricas entre las cargas elctricas (+) y (-). Es posible definir una unidad de carga elctrica como la carga que repele a otra carga similar a la distancia de, podemos decir, 1 metro con la fuerza de la unidad de fuerza utilizada

James Clerk Maxwell demostr que con cuatro ecuaciones fundamentales se pueden describir todos los fenmenos electromagnticos observados. Us esas ecuaciones para pronosticar la existencia de las ondas electromagnticas. En honor a sus aportaciones, al conjunto de ecuaciones se le llaman Ecuaciones de Maxwell, an cuando la mayor parte de las ecuaciones, las haban deducido otros cientficos, por decir un ejemplo, la Ley de Faraday de la Induccin. En esencia, las Ecuaciones de Maxwell se combinan el campo elctrico y el campo magntico para formar un solo campo electromagntico. Los campos que aparentemente estn separados se relacionan en forma simtrica de tal modo que cuales quiera de ellos puede crear al otro, bajo condiciones adecuadas. Esta simetra es evidente en las ecuaciones, tal como se presenta en su forma matemtica ms avanzada, Para nosotros, basta con una descripcin cualitativa: Un campo magntico variable en el tiempo produce un campo elctrico variable en el tiempo. Un campo elctrico variable en el tiempo produce un campo magntico variable en el tiempo. El primer enunciado no es ms que la observacin que un flujo magntico que cambia origina una fem y una corriente inducidas, en un conductor. La segunda afirmacin es bsica para comprender las caractersticas de auto propagacin de las ondas electromagnticas. Juntos, los dos fenmenos permiten que esas ondas se propaguen por el vaco, mientras que todas las dems, requieren un medio que las soporte. Segn las teoras de Maxwell, al acelerar las cargas elctricas, como un electrn en oscilacin, se producen ondas electromagnticas. El electrn en cuestin podra ser uno de los muchos electrones libres, de la antena metlica de un radiotransmisor, impulsados por un oscilador (voltaje) elctrico a una frecuencia de10E6 Hz (1mHz). Al oscilar cada electrn se acelera y desacelera en forma continua por lo que irradia una onda electromagntica.Circuito RLC.En los circuitos RLC se acoplan resistencias, capacitores e inductores. Existe tambin un ngulo de desfasaje entre las tensiones y corrientes (y entre las potencias), que incluso puede llegar a hacerse cero. En caso de que las reactancias capacitivas e inductivas sean de distinto valor para determinada frecuencia, tendremos desfasajes. Dependiendo de cul de las reactancias sea mayor podremos afirmar si se trata de un circuito con caractersticas capacitivas o inductivas y por lo tanto si la tensin adelanta a la corriente (y con qu ngulo) o si la corriente adelanta a la tensin. A continuacin detallamos los valores de un circuito RLC simple en serie.

Reactancia capacitiva

= Velocidad angular = 2f C = CapacidadXc = Reactancia capacitiva

Reactancia inductiva = Velocidad angular = 2f L = InductanciaXl = Impedancia inductivaImpedancia total del circuito RLC serieR = ResistenciaXl = Reactancia inductivaXc = Reactancia capacitivaAngulo de desfasaje entre tensin y corrienteXl = Reactancia inductivaXc = Reactancia capacitivaR = Resistencia

Resultados de las practicas.Prctica 1. Fuerza de Lorentz

La pgina de Evolucin necesita seis ecuaciones. Tres para definir la velocidad y tres para definir la aceleracin. Por qu son tres de cada una?

Para que el campo magntico tenga impacto en el movimiento, necesitas incluir el campo magntico en la ecuacin de Lorentz:

La componente de esta ecuacin es:

Para obtener el sentido de la fuerza, se toma el dedo ndice de la mano (izquierda) apuntando a la direccin del campo magntico que interacta con el conductor y con el dedo corazn se apunta en direccin a la corriente que circula por el conductor, formando un ngulo de 90 grados. De esta manera, el dedo pulgar determina el sentido de la fuerza que experimentar ese conductor.

En la imagen mostramos como se ingresan las ecuaciones para corregir el modelo.

En la imagen mostramos como quitamos la leyenda de falso y escribimos verdadero.

La imagen muestra que el modelo esta correcto y procedemos a comprobarlo.

Para quitar las palabras Modelo Incompleto, ve a la pgina de Modelo, Variables, Display y cambia ModelComplete de False a TruePrueba para q/m=1 para ver si has configurado el modelo correctamente.

Si E=0,Bx=By=0 , y Bz=1 o B = 1K) e inicialmente vx=1, vy=0 y vz=0 (v=1i) deberas ver una trayectoria circular. Explica porque y qu otras configuraciones daran una trayectoria circular.Mientras una partcula dentro de un campo se mueva perpendicular al campo magntico esta describe un movimiento circular uniforme Prubalas y verifica que son circulares. Explica cmo generar un crculo de menor radio.El circulo es mayor o menor simplemente si aumentamos o disminuimos la fuerza de Lorenz.

La imagen muestra que la trayectoria de la partcula es circular.

Si E=1i, B=1K e inicialmente v=1j , explica porqu se da esa trayectoria.la velocidad siempre va a ser perpendicular a la fuerza magntica

Si E=1i, B=1i , e inicialmente v=0, explica porqu el movimiento es el mismo sin importar el valor de Bx. porque e los tres vectores tienen la posicin en el eje x y generan un solo sentido.

Si E=1i, B=1K e inicialmente v=0, explica porqu la partcula no cambiara la componente de su movimiento. Prueba el caso en la simulacin.

Prctica 2. Ondas electromagnticas

La imagen el modelo que se va a estudiar.Obtengan la ecuacin de onda de las ecuaciones de Maxwell. vEy[i] = vBz[i] = Ey*Math.cos(k*(dx*i-t)) vEz[i] = Ez*Math.cos(k*(dx*i-t)+delta) vBy[i] = -vEz[i]

La imagen muestra la obtencin de las ecuaciones.Describan la forma de obtener el valor de la velocidad de la luz en el vaco. En la actualidad se admite como valor ms probable de la velocidad de propagacin de la luz en el vaco de c = 2997924574m/s 0,0012103m/s. En la mayora de los casos puede considerarse que el valor de c = 2,998108m/s tiene un grado de exactitud suficiente. Como valor aproximado se admite el de c = 3108m/s La velocidad de la luz segn el segundo postulado de la teora especial de la relatividad no depende del movimiento de la fuente de luz. Lo que significa que la velocidad de la luz es igual en todas las direcciones en todos los sistemas inerciales de referencia. Los experimentos demuestran que la velocidad de la luz en el vaco es la velocidad lmite que existe en la naturaleza. La velocidad de cualquiera que sea la partcula o el cuerpo, tambin la velocidad de propagacin de interacciones o seales no puede superar el valor de la velocidad de la luz en el vacoExpliquen por qu se consideran las ondas electromagnticas transversales.Porque son aquellas en las que las partculas vibran perpendicularmente a la direccin en la que se propaga la onda. Es decir, si una onda transversal se mueve en el plano x-positivo, sus oscilaciones van en direccin arriba y abajo que estn en el plano y-z. La onda transversal podra corresponder a las vibraciones de los campos elctrico y magntico en las ondas electromagnticas. Una onda electromagntica que puede propagarse en el espacio vaco no produce desplazamientos puntuales de masa. Son ondas transversales cuando una onda por el nodo se junta con la cresta y crea una gran vibracin.

DIRECCIONPROPAGACION Describan la relacin entre las magnitudes del campo elctrico y magntico. Campos elctricos tienen su origen en diferencias de tensin: entre ms elevado sea la tensin, ms fuerte ser el campo que resulta. Campos magnticos tienen su origen en las corrientes elctricas: una corriente ms fuerte resulta en un campo ms fuerte. Un campo elctrico existe aun que no haya corriente. Cuando hay corriente, la magnitud del campo magntico cambiar con el consumo de poder, pero la fuerza del campo elctrico quedar igual

Modelen una onda electromagntica con las siguientes caractersticas: a. La frecuencia y longitud de onda de una seal electromagntica que pueda ser transmitida desde un satlite geoestacionario a un punto en la Tierra.

b. La relacin adecuada entre la magnitud del campo magntico y elctrico.

Prctica 3. Modelo de un circuito RLC con batera

Investiguen el comportamiento de un circuito RLC.En electrodinmica un circuito RLC es un circuito lineal que contiene una resistencia elctrica, una bobina (inductancia) y un condensador (capacidad).Existen dos tipos de circuitos RLC, en serie o en paralelo, segn la interconexin de los tres tipos de componentes. El comportamiento de un circuito RLC se describen generalmente por una ecuacin diferencial de segundo orden (en donde los circuitos RC o RL se comportan como circuitos de primero orden).Con ayuda de un generador de seales, es posible inyectar en el circuito oscilaciones y observar en algunos casos el fenmeno de resonancia, caracterizado por un aumento del corriente (ya que la seal de entrada elegida corresponde a la pulsacin propia del circuito, calculable a partir de la ecuacin diferencia que lo rige).Corran el modelo y observen lo que ocurre al cambiar el voltaje de la batera. Aumenten el valor del paso de tiempo entre puntos a t=5.0E-3 y observen cmo se visualizan los cambios conforme se modifica el voltaje de la batera.

Expliquen cmo se relaciona t y n al tiempo de barrido en un osciloscopio. Como t es el tiempo de paso si ingresamos un nmero menor el tiempo de paso es mayor.Y n es el nmero de datos que le pedimos al osciloscopio que nos almacene. Cambien el valor de la inductancia, la resistencia y la capacitancia. Observen que la grfica muestra la fuente de voltaje (en gris) as como los voltajes en cada elemento del circuito (los colores se muestran en la parte superior de la pantalla).

Seleccionen un punto especfico en el tiempo y mide los voltajes, verifiquen que el voltaje a travs del inductor (rojo), el resistor (verde) ms el capacitor es igual al valor del voltaje de la fuente (gris).

La suma de voltajes al tiempo t=0.1 es:V=I + R+C= (1) + (3) + (6) = 10V

La suma de voltajes al tiempo t=0.2 es:V=I + R+C= (-5.2) + (1) + (14.2) = 10VDescriban lo que ocurre al voltaje a travs de cada elemento inmediatamente despus de que la fuente de voltaje cambia. Expliquen sus observaciones.

En la grfica observamos la relacin proporcional del voltaje con la resistencia y la inductancia, por otra parte, el capacitor, mantiene la carga inicial, cuando el tiempo trascurre comienza a oscilar hasta llegar al voltaje de la fuente.La frecuencia de oscilacin para oscilaciones no amortiguadas est dada por . Pongan la resistencia a cero y midan este periodo de oscilacin. Seleccionen diferentes valores de L y C y observa la nueva frecuencia.

Expliquen si los voltajes del inductor y del capacitor son los mismos. En la imagen observamos que los voltajes del inductor y capacitor son los mismos. Para todas las combinaciones el voltaje del capacitor oscila hasta un valor mximo de dos veces el voltaje de la fuente, por otra parte el voltaje del inductor oscila hasta un valor mnimo de dos veces menos del voltaje de la fuente8. Debido a la perdida de energa, la frecuencia de las oscilaciones libres w llega a ser menor dnde . Explica cmo cambian las curvas cuando la resistencia se incrementa y .

Si se aumenta R, las oscilaciones se extinguen con ms rapidez, cuando R alcanza cierto valor, el circuito deja de oscilar, est crticamente amortiguado. Con valores an mayores de R, el circuito est sobre amortiguado.Dispositivo para el envo de seales electromagnticas. Los satlites de comunicacin son capaces de trasmitir y recibir seales que transportan informacin en forma analgica o digital de alta calidad. La mayora de los satlites de comunicacin son estacionarios (giran en una rbita a la misma velocidad de rotacin que la tierra, es decir siempre estn en el mismo punto con respecto a la tierra) y a una altura de 36.000Km. Al ser geoestacionarios las antenas de la tierra siempre apuntan directamente hacia el satlite correspondiente. La emisin de las seales se hacen desde una antena en la tierra, la recibe el satlite y enva las seales a otra antena situada en otro punto de la tierra (receptor final).

Segn el soporte por el que viaja la informacin podemos hablar de dos clases diferentes:1. Comunicacin almbrica: ( por cable) Tiene lugar a travs de lneas o cables que unen al emisor y al receptor. La informacin se transmite mediante impulsos elctricos.1. Comunicacin inalmbrica: La informacin se transmite mediante ondas de radio.Una onda es una perturbacin que se propaga a travs de la materia. Tambin existen ondas que se propagan por el vaco, son las denominadas ondas electromagnticas y tambin llamadas ondas de radio.

1. TRANSMISIN DE ONDAS DE RADIOLas ondas electromagnticas se propagan en lnea recta pero tienen la propiedad de reflejarse en las capas ms altas de la atmsfera, la ionosfera, con lo cual no se pierde en el espacio. La primera transmisin de ondas de radio a larga distancia la hizo Marconi en 1901 entre ambos lados del Atlntico.1. SISTEMAS INALMBRICOS DE COMUNICACIONESEn general estn constituidos por los siguientes elementos:1. Emisor de radiofrecuencia: Produce y trata (funciones de amplificacin y modulacin de la seal)la informacin a transmitir.1. Antena emisora: Transmite la seal modulada y la difunde al espacio.1. Estaciones terrestres de distribucin de seal: Reciben la seal y la adaptan y la amplifican para que pueda llegar bien a su destino.1. Antena receptora: Es la encargada de recoger las ondas electromagnticas y enviar la seal al receptor.1. Receptor de radiofrecuencia: Modula y reconstruye la informacin transmitidaDescripcin del tipo de antena que servir para recibir y transmitir seales electromagnticas.La antena parablica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parablico, cuya superficie es en realidad un paraboloide de revolucin. Las antenas parablicas pueden ser transmisoras, receptoras o full dplex, llamadas as cuando pueden trasmitir y recibir simultneamente. Suelen ser utilizadas a frecuencias altas y tienen una ganancia elevada.En las antenas parablicas transmisoras, la as llamada parbola refleja las ondas electromagnticas generadas por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del paraboloide. Los frentes de onda inicialmente esfricos que emite ese dispositivo se convierten en frentes de onda planos al reflejarse en dicha superficie, produciendo ondas ms coherentes que otro tipo de antenas.En las antenas receptoras el reflector parablico se encarga de concentrar en su foco, donde se encuentra un detector, los rayos paralelos de las ondas incidentes.Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parablicas, los ms extendidos son los siguientes:La antena parablica de foco centrado o primario, que se caracteriza por tener el reflector parablico centrado respecto al foco.La antena parablica de foco desplazado u offset, que se caracteriza por tener el reflector parablico desplazado respecto al foco. Son ms eficientes que las parablicas de foco centrado, porque el alimentador no hace sombra sobre la superficie reflectora.La antena parablica Cassegrain, que se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras.Antena provista de un reflector metlico, de forma parablica, esfrica o de bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas.Se utiliza especialmente para la transmisin y recepcin va satlite. Ganancia alta: 12-25 dBiDirectividad altangulo de radiacin bajo

Dispositivo para recopilar informacin sobre el tipo de partculas que llegan al satlite.Los tipos de detectores de partculas incluyen: * Calormetro * Cmara de burbujas * Cmara de chispas * Cmara de flujo, cmara de chorro * Cmara de niebla, cmara de difusin * Cmara de proyeccin de tiempo (TPC) * Cmara gaseosa de micro estructura (MSGC) * Cmara de hilos o proporcional de multadillos (MWPC) * Centelleador * Detector Cherenkov, detector de aerogel * Detectores de ionizacin gaseosa (cmara de ionizacin, contador proporcional, contador Geiger) * Detector de tiempo de vuelo * Detector de transicin de radiacin * Detector RICH * Detector semiconductor * Dosmetro * Electroscopio * Fotodiodo * Fotomultiplicador * Fotomultiplicador de silicio o SiPM * Placa fotogrfica * Tubo de corriente

Dispositivo para almacenar energa elctricaLos satlites llevan unos paneles solares para recibir energa solar que la almacena en bateras. Esta energa luego la utiliza para mandar las seales, y en caso de que el satlite se desve de su rbita, para impulsar unos motores que le devuelven a la rbita inicial.Un panel solar (o mdulo solar) es un dispositivo que aprovecha la energa de la radiacin solar. El trmino comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente domstica) mediante energa solar trmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante energa solar fotovoltaica.Los paneles fotovoltaicos: estn formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas clulas fotovoltaicas, del griego "fotos", luz. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energa luminosa produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores prximos de diferente tipo, produciendo as un campo elctrico capaz de generar una corriente.

Silicio cristalino y arseniuro de galio son la eleccin tpica de materiales para celdas solares. Los cristales de arseniuro de galio son creados especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio estn disponibles en lingotes estndar ms baratos producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrnica. El silicio poli cristalino tiene una menor eficacia de conversin, pero tambin menor coste.

Cuando es expuesto a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de dimetro puede producir una corriente de alrededor 0,5 amperios a 0,5 voltios (equivalente a un promedio de 90 W/m, en un rango de usualmente 50-150 W/m, dependiendo del brillo solar y la eficacia de la celda). El arseniuro de galio es ms eficaz que el silicio, pero tambin ms costoso.

Las clulas de silicio ms comnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos se puede dividir en tres subcategoras:Las clulas de silicio mono cristalino estn constituidas por un nico cristal de silicio. Este tipo de clulas presenta un color azul oscuro uniforme.Las clulas de silicio poli cristalino (tambin llamado multi cristalino) estn constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las clulas mono cristalinas. Se caracterizan por un color azul ms intenso.Las clulas de silicio amorfo. Son menos eficientes que las clulas de silicio cristalino pero tambin menos costosas. Este tipo de clulas es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.Los lingotes cristalinos son cortados en discos finos como una oblea, pulidos para eliminar posibles daos causados por el corte. Se introducen dopantes (impurezas aadidas para modificar las propiedades conductoras) dentro de las obleas, y se depositan conductores metlicos en cada superficie: una fina rejilla en el lado donde da la luz solar y usualmente una hoja plana en el otro. Los paneles solares son construidos con estas celdas cortadas en forma apropiada. Para protegerlos de daos en la superficie frontal causados por radiacin o por el mismo manejo de stos se los enlaza en una cubierta de vidrio y se cimentan sobre un sustrato (el cual puede ser un panel rgido o una manta blanda). Se realizan conexiones elctricas en serie-paralelo para determinar el voltaje de salida total. La cimentacin y el sustrato deben ser conductores trmicos, ya que las celdas se calientan al absorber la energa infrarroja que no es convertida en electricidad. Debido a que el calentamiento de las celdas reduce la eficacia de operacin es deseable minimizarlo. Los ensamblajes resultantes son llamados paneles solares o grupos solares. Uso de la energaDeben su aparicin a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio ms fiable de suministrar energa elctrica a un satlite o a una sonda en las rbitas interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor irradiacin solar sin el impedimento de la atmsfera y a su alta relacin potencia a peso.5. Elaboracin de un mapa mental

CONCLUSIONES.

Con el repaso de las practicas e ingresar los nuevos puntos se es mas fcil comprender los trminos que se dicen en esta prctica con el modelo que nos proporcionan, con los complementos se me es ms fcil comprender la funcionalidad de un satlite y como son enviadas las ondas.

Bibliografahttp://www.ensenadamexico.nethttps://es.wikipedia.org