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SIGUENOS EN: LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS GRATIS EN DESCARGA DIRECTA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS. Portada ULABY 04/19/2007 12:25 Page 1 Este libro tiene como finalidad presentar al estudiante el material fundamental de ULABY teoría electromagnética. Explica, e...

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Accelerat ing t he world's research.

FAWWAZ JULISSA CRISTINA GUILLEN SANCHEZ

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SIGUENOS EN:

LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS GRATIS EN DESCARGA DIRECTA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS.

Portada ULABY

04/19/2007

12:25

Page 1

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Seis nuevas secciones sobre guías de ondas y resonadores de cavidad. Secuencia de “sinopsis de tecnología” sobre temas relevantes, con ejemplos de sensores capacitivos y su uso, pantallas de cristal líquido, sistemas GPS y la tomografía mediante rayos X, entre otros. Vínculos de conceptos con aplicaciones en el mundo real. Problemas al final de cada capítulo. Un CD-ROM interactivo con 112 ejercicios, donde cada uno plantea una pregunta seguida por una respuesta abreviada; gráficas; animaciones de video; 85 ejercicios de demostración; 90 problemas con soluciones; así como presentaciones de todas las figuras que aparecen en el libro.

El texto concluye con presentaciones generales de dos ejemplos de sistemas: los satélites y los sensores de radar. Por todo lo anterior, este libro resultará sumamente útil tanto al estudiante como al profesor.

Visítenos en: www.pearsoneducacion.net/ulaby

Fundamentos de aplicaciones en electromagnetismo

• •

ULABY

Este libro tiene como finalidad presentar al estudiante el material fundamental de teoría electromagnética. Explica, entre otros temas, la forma en que se propagan las ondas planas en el espacio libre, en medios materiales y en líneas de transmisión. El capítulo sobre electrostática se inicia con las ecuaciones de Maxwell (en el caso de variantes en el tiempo), con lo cual ofrece un marco de referencia general y demuestra por qué la electrostática y la magnetostática son casos especiales. A lo largo del libro, se hace hincapié en el uso de las matemáticas para explicar y aclarar la física, por lo que incluye ejemplos prácticos que demuestran la importancia de los conceptos de esta disciplina para la ingeniería. Entre lo más destacable que esta obra ofrece se encuentra lo siguiente:

Fundamentos de

aplicaciones en electromagnetismo Quinta edición

F A W W A Z T. U L A B Y http://librosysolucionarios.net

Portada ULABY

04/19/2007

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Page 2

10.1 SECCIÓN

OPERADORES DE GRADIENTE, DIVERGENCIA, R O TA C I O N A L Y L A P L A C I A N O

C O N S TA N T E S F Í S I C A S F U N D A M E N TA L E S CONSTANTE

SÍMBOLO

VALOR

rapidez de la luz en el vacío

c

2.998  10 8  3  108 m/s

constante de gravitación

G

6.67  10 11 N  m2/kg2

constante de Boltzmann

K

1.38  10

carga elemental

e

1.60  10 19 C

permitividad del espacio libre

e0

1 9 F/m 8.85  1012  — 36π  10

permeabilidad del espacio libre

m0

4π  107 H/m

masa del electrón

me

9.11  1031 kg

masa del protón

mp

1.67  1027 kg

constante de Planck

h

6.63  10 34 js

h0

376.7  120π Ω

impedancia intrínseca del espacio libre

23

C O O R D E N A DA S C A RT E S I A N A S ( R E C TA N G U L A R E S ) ( x , y, z )

J/k

§V  xˆ

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C O O R D E N A DA S C I L Í N D R I C A S ( r , f , z ) §V  rˆ

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P R E F I J O S D E M Ú LT I P L O S Y S U B M Ú LT I P L O S PREFIJO

SÍMBOLO

MAGNITUD

PREFIJO

SÍMBOLO

MAGNITUD

exa

E

10 18

mili

m

10 3

peta

P

10 15

micro

m

10 6

tera

T

10 12

nano

n

10 9

giga

G

10 9

pico

p

10 12

mega

M

10 6

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f

10 15

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1

C

uando se utilizó por primera vez este libro para impartir un curso, se pidió a cada uno de los estudiantes que escribiera un breve comentario sobre el papel que desempeña la teoría electromagnética en la ciencia, la tecnología y la sociedad. He aquí un comentario, firmado por Schaldenbrand, quien obtuvo el grado de ingeniero:

La teoría electromagnética ha hecho más que ayudar a la ciencia. Gracias a los asombrosos avances en las comunicaciones, nuestro conocimiento de otras naciones y nacionalidades se ha incrementado exponencialmente. Este conocimiento ha hecho y hará que los gobiernos del mundo trabajen en favor de la paz mundial. Cuantos más conocimientos tenemos sobre las diferentes culturas, menos extrañas nos parecen. El resultado será un parentesco global, y el subproducto será la armonía. El conocimiento es el primer paso y la comunicación es el medio. La teoría electromagnética encierra la clave de esta comunicación y, por ende, es un tema importante no sólo para la ciencia, sino también por el bien de la humanidad. Mike Schaldenbrand EECS 332, invierno de 1994 Universidad de Michigan

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ALGUNAS IDENTIDADES VECTORIALES ÚTILES A B  AB cos uAB

Producto escalar (o punto)

A B  nˆ AB sen uAB

Producto vectorial (o cruz), nˆ normal al plano que contiene A y B

A (B  C)  B  (C  A)  C  (A  B) A  (B  C)  B(A  C)  C(A  B) (U  V)  U  V (UV)  UV  VU   (A  B)    A    B   (UA)  U  A  A  U   (UA)  U  A  U  A   (A  B)    A    B   (A  B)  B  (  A)  A  (  B)   (  A)  0   V  0   V  2V     A  (  A)  2A

 (  A)dv   A  ds v

 (  A)  ds   A  dl S

Teorema de divergencia (S encierra a v)

S

Teorema de Stokes (S limitada por C)

C

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F U N D A M E N T O S

D E

APLICACIONES EN ELECTROMAGNETISMO

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F U N D A M E N T O S

D E

APLICACIONES EN ELECTROMAGNETISMO QUINTA EDICIÓN

Fawwaz T. Ulaby The university of michigan

TRADUCCIÓN: Rodolfo Navarro Salas Traductor profesional REVISIÓN TÉCNICA M. en C. Gustavo Pérez López Profesor de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Estado de México

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Datos de catalogación bibliográfica ULABY, FAWWAZ T. Fundamentos de aplicaciones en electromagnetismo. Quinta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007 ISBN: 978-970-26-1055-7 Área: Ciencias Formato: 20 × 25.5 cm

Páginas: 488

Authorized translation from the English language edition, entitled Fundamentals of Applied electromagnetis, 5th ed. by Fawwaz T. Ulaby published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright ©2007. All rights reserved. ISBN 0132413264 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, Fundamentals of Applied electromagnetics 5ª ed., por Fawwaz T. Ulaby publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright © 2007. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Rubén Fuerte Rivera e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño Edición en inglés Vice President and Editorial Director, ECS: Marcia J. Horton Acquisitions Editor: Michael McDonald Executive Managing Editor: Vince O’Brien Managing Editor: David A. George Production Editor: Craig Little Director of Creative Services: Paul Belfanti

Creative Director: Jayne Conte Cover Designer: Bruce Kenselaar Art Editor: Greg Dulles Manufacturing Manager: Alexis Heydt-Long Manufacturing Buyer: Lisa McDowell Marketing Manager: Tim Galligan

PRIMERA EDICIÓN, 2007 D.R. © 2007 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5to. piso Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. Núm. 1031 Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-1055-9 ISBN 13: 978-970-26-1055-7 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07

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Dedico este libro a la Universidad Americana de Beirut y a la Universidad de Texas, por educarme. Mi gratitud para la Universidad de Kansas y la Universidad de Michigan, por acogerme como a uno de los suyos.

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Cronogramas y sinopsis de tecnología Cronograma de la electromagnética en la era clásica Cronograma de telecomunicaciones

8

Cronograma de la tecnología de la computadora Hornos de microondas

86

Sistema de posicionamiento global

128

Tomografía computarizada de rayos X Sensores resistivos

174

Sensores capacitivos

186

Sensores de no contacto

188

Electroimanes y relevadores magnéticos Grabación magnética Sensores inductivos Sensores EMF

236 242

274

Pantallas de cristal líquido (LCD) Rayos láser

136

302

344

Lectores de códigos de barras

362

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224

10

6

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Contenido

Prefacio

xix

1 Introducción: Ondas y fasores

2

1-1 1-2

Dimensiones, unidades y notación 5 La naturaleza del electromagnetismo 12

1-3

1-2.1 La fuerza gravitacional: una analogía útil 13 1-2.2 Campos eléctricos 14 1-2.3 Campos magnéticos 16 1-2.4 Campos estáticos y dinámicos 18 Ondas viajeras 18

1-4 1-5 1-6

1-3.1 Onda sinusoidal en un medio sin pérdidas 21 1-3.2 Onda sinusoidal en un medio con pérdidas 23 El espectro electromagnético 26 Repaso de números complejos 28 Repaso de fasores 31 Problemas 36

2 Líneas de transmisión

40

2-1

Consideraciones generales 41

2-2

2-1.1 La función de la longitud de onda 42 2-1.2 Modos de propagación 43 Modelo de elemento concentrado 45

2-3

Ecuaciones de línea de transmisión 49

2-4

Propagación de ondas en una línea de transmisión 50

2-5

Línea de transmisión con pérdidas 53

2-6

2-5.1 Coeficiente de reflexión de voltaje 54 2-5.2 Ondas estacionarias 57 Impedancia de entrada de la línea sin pérdidas 61

2-7

Casos especiales de la línea sin pérdidas 64 2-7.1 2-7.2

Línea en cortocircuito 64 Línea de circuito abierto 66

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xii

CONTENIDO

2-7.3 Aplicación de mediciones en cortocircuito y circuito abierto 66 2-7.4 Líneas de longitud l  n/2 68 2-7.5 Transformador de cuarto de onda 68 2-7.6 Línea de transmisión acoplada: ZL  Z0 68 2-8 Flujo de potencia en una línea de transmisión sin pérdidas 70 2-8.1 Potencia instantánea 70 2-8.2 Potencia promedio con respecto al tiempo 71 2-9 La carta de Smith 72 2-9.1 Ecuaciones paramétricas 72 2-9.2 Impedancia de entrada 77 2-9.3 SWR, máximos y mínimos de voltaje 79 2-9.4 Transformaciones de impedancia a admitancia 80 2-10 Acoplamiento de impedancia 88 2-11 Transitorios en líneas de transmisión 92 2-11.1 Respuesta transitoria 92 2-11.2 Diagramas de rebote 96 Problemas 100

3 Análisis vectorial 3-1

3-2

3-3

3.4

108

Leyes básicas del álgebra vectorial 109 3-1.1 Igualdad de dos vectores 110 3-1.2 Suma y resta de vectores 111 3-1.3 Vectores de posición y distancia 111 3-1.4 Multiplicación vectorial 112 3-1.5 Productos triples escalares y vectoriales 115 Sistemas de coordenadas ortogonales 116 3-2.1 Coordenadas cartesianas 117 3-2.2 Coordenadas cilíndricas 117 3-2.3 Coordenadas esféricas 121 Transformaciones entre sistemas de coordenadas 123 3-3.1 Transformaciones cartesianas a cilíndricas 123 3-3.2 Transformaciones cartesianas a esféricas 125 3-3.3 Transformaciones cilíndricas a esféricas 127 3-3.4 Distancia entre dos puntos 127 Gradiente de un campo escalar 130 3-4.1 Operador gradiente en coordenadas cilíndricas y esféricas 131 3-4.2 Propiedades del operador gradiente 132

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xiii

CONTENIDO

3.5

3-6

3-7

Divergencia de un campo vectorial 133 3-5.1 Teorema de divergencia 135 3-5.2 Comentarios sobre notación 135 Rotacional de un campo vectorial 139 3-6.1 Identidades vectoriales que implican el rotacional 140 3-6.2 Teorema de Stokes 141 Operador laplaciano 142 Problemas 144

4 Electrostática

150

4-1 4-2

Ecuaciones de Maxwell 151 Distribuciones de carga y corriente 152 4-2.1 Densidades de carga 152 4-2.2 Densidad de corriente 154 4-3 Ley de Coulomb 155 4-3.1 Campo eléctrico producido por múltiples cargas puntuales 156 4.3.2 Campo eléctrico producido por una distribución de carga 157 4-4 Ley de Gauss 160 4.5 Potencial escalar eléctrico 163 4-5.1 Potencial eléctrico en función del campo eléctrico 163 4-5.2 Potencial eléctrico producido por cargas puntuales 165 4-5.3 Potencial eléctrico producido por distribuciones continuas 165 4-5.4 Campo eléctrico en función del potencial eléctrico 165 4-5.5 Ecuaciones de Poisson 167 4.6 Propiedades eléctricas de los materiales 168 4-7 Conductores 169 4-7.1 Resistencia 170 4-7.2 Ley de Joule 172 4-8 Dieléctricos173 4-9 Condiciones eléctricas de frontera 177 4-9.1 Frontera entre dieléctrico y conductor 180 4-9.2 Frontera entre un conductor y otro 181 4-10 Capacitancia 182 4-11 Energía potencial electrostática 190 4-12 Método de imagen 191 Problemas 194

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xiv

CONTENIDO

5 Magnetostática 5-1

5-2

5-3 5-4

5-5 5-6

5-7 5-8

5-9

204

Fuerzas y momentos de torsión magnéticos 205 5-1.1 Fuerza magnética en un conductor que transporta corriente 207 5-1.2 Momento de torsión magnético en una espira que lleva corriente 210 Ley de Biot-Savart 213 5-2.1 Campo magnético producido por distribuciones de corriente superficiales y volumétricas 214 5-2.2 Campo magnético de un dipolo magnético 217 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 218 Ecuaciones magnetostáticas de Maxwell 219 5-4.1 Ley de Gauss para magnetismo 219 5-4.2 Ley de Ampère 220 Potencial magnético vectorial 226 Propiedades magnéticas de materiales 228 5-6.1 Momento magnético orbital y de espín (rotatorio) 228 5-6.2 Permeabilidad magnética 229 5-6.3 Histéresis magnética de los materiales ferromagnéticos 230 Condiciones magnéticas de frontera 233 Inductancia 234 5-8.1 Campo magnético en un solenoide 235 5-8.2 Autoinductancia 238 5-8.3 Inductancia mutua 240 Energía magnética 241 Problemas 245

6 Ecuaciones de Maxwell para campos variantes en el tiempo 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9 6-10 6-11

254

Ley de Faraday 255 Espira estacionaria en un campo magnético variante en el tiempo 257 El transformador ideal 261 Conductor en movimiento en un campo magnético estático 262 El generador electromagnético 265 Conductor en movimiento en un campo magnético variante en el tiempo 267 Corriente de desplazamiento 268 Condiciones de frontera en la teoría electromagnética 270 Relación de continuidad de carga-corriente 271 Disipación de carga libre en un conductor 273 Potenciales electromagnéticos 276 6-11.1 Potenciales retardados 276 6-11.2 Potenciales armónicos con respecto al tiempo 277 Problemas 281

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xv

CONTENIDO

7 Propagación de ondas planas 7-1

7-2

7-3

7-4

7-5 7-6

286

Campos armónicos 288 7-1.1 Permitividad compleja 289 7-1.2 Ecuaciones de onda para un medio libre de cargas 289 Propagación de ondas planas en un medio sin pérdidas 290 7-2.1 Ondas planas uniformes 290 7-2.2 Relación general entre E y H 294 Polarización de onda 295 7-3.1 Polarización lineal 296 7-3.2 Polarización circular 297 7-3.3 Polarización elíptica 299 Propagación de onda plana en medios con pérdidas 304 7-4.1 Dieléctrico de bajas pérdidas 306 7-4.2 Buen conductor 306 Flujo de corriente en un buen conductor 308 Densidad de potencia electromagnética 311 7-6.1 Onda plana en un medio sin pérdidas 312 7-6.2 Onda plana en un medio con pérdidas 313 7-6.3 Escala de decibeles para razones de potencia 314 Problemas 316

8 Reflexión, transmisión y guías de onda 8-1
...