REPRESENTACION DEL EXPERIMENTO DE HERTZ - ONDAS ELECTROMAGNETICAS. PDF

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REPRESENTACIÓN DEL EXPERIMENTO DE HERTZ - ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS....

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INGENIERIA ELECTROMECÁNICA.

TERCER SEMESTRE.

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

REPRESENTACION DEL EXPERIMENTO DE HERTZ: ONDAS ELECTROMAGNETICAS.

HORTA CHI ELIEZER URIEL.

Resumen

Hertz utilizó un carrete o bobina de Ruhmkorff; que es un transformador que produce un voltaje muy alto. En seguida conectó el carrete a un dispositivo formado por dos varillas de cobre en uno de los extremos de cada varilla añadió una esfera grande y en el otro una pequeña. Cada una de las esferas grandes servía como condensador para almacenar carga eléctrica. Una vez hecha la conexión, en cierto instante el voltaje entre las esferas chicas era lo suficientemente grande para que saltara una chispa entre ellas. Hertz razonó que al saltar estas chispas se produciría un campo eléctrico variable en la región vecina a las esferas chicas, que según Maxwell debería inducir un campo magnético, también variable. Estos campos serían una perturbación que se debería propagar, es decir, debería producirse una onda electromagnética. De esta forma, Hertz construyó un radiador de ondas electromagnéticas. Efectivamente, al conectar el carrete de Ruhmkorff a su dispositivo, Hertz observó que saltaban chispas entre las esferas chicas de manera intermitente. Así logró construir un generador de ondas electromagnéticas.

Introducción En este documento se muestra los conceptos básicos de las ondas electromagnéticas, se muestra el diagrama y la parte teórica de dicho proyecto. Las ondas electromagnética (O.E.M.). Es la perturbación simultánea de los campos eléctricos y magnéticos existentes en una misma región (James C. Maxwell fue quien descubrió las ondas electromagnéticas). Las ondas originadas por los campos eléctricos y magnéticos son de carácter transversal, encontrándose en fase, pero estando las vibraciones accionadas en planos perpendiculares entre sí. Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía.

Marco teórico

La fecha de inicio de los trabajos de Hertz sobre ondas electromagnéticas es el 13 de noviembre de 1886. Esta fecha marca el comienzo de un proceso denominado por M. García Doncel como la conversión de Hertz a las ondas hercianas. Esa conversión consiste, fundamentalmente, en sacar los fenómenos eléctricos de los materiales conductores, al espacio vacío, al que es considerado como un dieléctrico más. (Lamberti Pedro, 1997) Hertz. Ondas Electromagnéticas HEINRICH HERTZ (1857-1894), profesor de la Escuela Politécnica de Karlsruhe, en Alemania, se interesó en la teoría electromagnética propuesta por Maxwell. La reformuló matemáticamente logrando que las ecuaciones fueran más sencillas, y simétricas. Desde 1884 Hertz pensó en la manera de generar y detectar en un laboratorio las ondas electromagnéticas que Maxwell había predicho. Después de mucho trabajo y de experiencias sin éxito, en 1887 construyó un dispositivo con el que logró su fin. El experimento que realizó fue a la vez genial y sencillo. Utilizó un carrete o bobina de Ruhmkorff; que es un transformador que produce un voltaje muy alto. En seguida conectó el carrete a un dispositivo formado por dos varillas de cobre (Figura 29); en uno de los extremos de cada varilla añadió una esfera grande y en el otro una pequeña. Cada una de las esferas grandes servía como condensador para almacenar carga eléctrica. Una vez hecha la conexión, en cierto instante el voltaje entre las esferas chicas era lo suficientemente grande para que saltara una chispa entre ellas.

Hertz razonó que al saltar estas chispas se produciría un campo eléctrico variable en la región vecina a las esferas chicas, que según Maxwell debería inducir un campo magnético, también variable. Estos campos serían una perturbación que se debería propagar, es decir, debería producirse una onda electromagnética. De esta forma, Hertz construyó un radiador de ondas electromagnéticas. Efectivamente, al conectar el carrete de Ruhmkorff a su dispositivo; Hertz observó que saltaban chispas entre las esferas chicas de manera intermitente. Así logró construir un generador de ondas electromagnéticas. El siguiente paso fue construir un detector de las ondas electromagnéticas que supuso eran emitidas por su dispositivo. Para este fin construyó varios detectores. Uno de ellos era simplemente otro dispositivo similar al radiador; otro tipo fue una espira metálica en forma circular que tenía en sus extremos dos esferas, también conductoras, separadas una pequeña distancia. El argumento de Hertz fue el siguiente: si en efecto existen ondas electromagnéticas, al ser emitidas por el circuito se propagarán en todo el espacio circundante. Al llegar las ondas al detector, se inducirá en él un campo eléctrico (además del magnético) y por tanto, en las varillas conductoras o en la espira se inducirá una corriente eléctrica. Esto hará que a través de sus extremos se induzca un voltaje, que, si llega a tener un valor suficientemente grande, dará lugar a que salte una chispa entre las esferas. Mientras mayor sea el valor de la amplitud de la corriente eléctrica en el circuito emisor, mayor será la magnitud del campo eléctrico inducido y, por lo tanto, mayor será la diferencia de potencial entre los extremos de la espira del receptor.

Esto es precisamente lo que encontró Hertz en su experimento. Con su detector situado a una distancia de alrededor de 30 m del radiador, observó que saltaba una chispa entre las esferas del detector, con lo que demostró que las ondas electromagnéticas ¡efectivamente existen! Más tarde, el mismo Hertz pudo demostrar que estas ondas se reflejan, se refractan y se comportan como las ondas de luz (véase el capítulo XIV), hecho considerado por la teoría de Maxwell. Así lo reportó Hertz en 1888: "Es fascinante que los procesos que investigué representan, en una escala un millón de veces más amplia, los mismos fenómenos que se producen en la vecindad de un espejo de Fresnel, o entre las delgadas láminas para exhibir los anillos de Newton." Con esto, Hertz se refería a que la longitud de onda de las ondas que su aparato produjo eran un millón de veces la longitud de onda de la luz visible. (Braun Eliezer, 2011).

Montaje del dispositivo experimental y resultados Basado en fotografías de la época en que se realizó el experimento original de Hertz (ver Fig. 1) se montó un primer dispositivo experimental compuesto por un generador de ondas electromagnéticas formado por un carrete de Ruhmkorff que tiene la función de elevar la baja diferencia de potencial eléctrico del primario, 12 V, a unos 50 kV en el secundario y por dos esferas metálicas de 5 cm de diámetro, unidas por dos cables de un metro de longitud a los explosores del carrete de Ruhmkorff, que proporcionan la capacidad del circuito oscilante. Como detector se utilizaron espiras rectangulares de diferentes medidas. A diferencia del experimento original, a fin de facilitar la detección, se conectó la espira receptora conectadas a un osciloscopio de 40 MHz de ancho de banda.

Figura1. Dispositivo experimental de Hertz. Fuente: Instituto Tecnológico de Karlsruhe

A la luz de estos primeros resultados positivos se decidió mejorar el montaje incorporando dos esferas de chapa de aluminio de 30 cm de diámetro las que se

conectaron al carrete de Ruhmkorff mediante dos varillas de bronce de 2,5 mm de diámetro y 1,5 m de longitud, detalles que forman parte del transmisor original de Hertz. También se cambió la configuración del regulador mecánico de la bobina de Ruhmkorff y reemplazaron los extremos del explosor terminados en puntas por elementos esféricos con la intención de lograr una descarga más regular entre ellos. Con esta nueva configuración se logró mejorar sensiblemente la intensidad y la periodicidad de la señal que se podía observar en el osciloscopio. Finalmente, después de varios ensayos, probando con distintas configuraciones de los elementos que componen el sistema se estableció el dispositivo experimental que se muestra en la Fig. 2. Con este dispositivo se logró emitir ondas electromagnéticas que fueron captadas por una antena ubicada a unos 5 metros del aparato de Hertz. Para comprobar esta transmisión se conectó a la antena un osciloscopio, instrumento no disponible en la época de Hertz, que mostró en su pantalla una señal de forma senoidal amortiguada con una periodicidad de alrededor de 50 ns, equivalente a una frecuencia de 20 MHz (ver Fig. 3) que coincide con los cálculos teóricos basados en las características física del aparto de Hertz.

Fig. 2. Dispositivo experimental montado en el LEF.

Campo magnético Un campo magnético es una idea que usamos como herramienta para describir cómo se distribuye una fuerza magnética en el espacio alrededor y dentro de algo magnético. Describimos matemáticamente el campo magnético como un campo vectorial. Podemos representar directamente este campo como un conjunto de vectores dibujados en una cuadrícula. Cada vector apunta en la dirección en la que lo haría una brújula y su magnitud depende de la fuerza magnética. Una forma alternativa para representar la información contenida en un campo vectorial es por medio de las líneas de campo. El campo magnético ocurre siempre que una carga está en movimiento. Conforme se pone más carga en más movimiento, la magnitud del campo magnético crece. El magnetismo y los campos magnéticos son un aspecto de la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. El campo magnético ocurre siempre que una carga está en movimiento. Conforme se pone más carga en más movimiento, la magnitud del campo magnético crece. El magnetismo y los campos magnéticos son un aspecto de la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

¿Cómo medir un campo magnético? Puesto que el campo magnético es una cantidad vectorial, hay dos aspectos que necesitamos medir para describirlo: su intensidad y su dirección. La dirección es fácil de medir. Podemos usar una brújula, que se alinea con el campo. Las brújulas se han usado para navegar (utilizando el campo magnético) desde el siglo XI. Interesantemente, medir la intensidad es mucho más difícil. Los primeros magnetómetros funcionales estuvieron disponibles hasta el siglo XIX. Para funcionar, la mayoría de estos magnetómetros aprovechan la fuerza que siente un electrón cuando se mueve a través un campo magnético. En el sistema SI, la unidad del campo magnético es el tesla (cuyo símbolo es T, nombrado en honor a Nikola Tesla). Definimos el tesla en términos de cuánta fuerza ejerce un campo magnético sobre una carga. A menudo se usa una medida alternativa, el gauss (cuyo símbolo es G). Entre estas dos medidas hay un factor de conversión muy simple: 1T= 10^4G. Usamos los gauss a menudo porque un campo de 1 tesla es muy grande.

Campo Eléctrico El campo eléctrico existe cuando existe una carga y representa el vínculo entre ésta y otra carga al momento de determinar la interacción entre ambas y las fuerzas ejercidas. Tiene carácter vectorial (campo vectorial) y se representa por medio de líneas de campo. Si la carga es positiva, el campo eléctrico es radial y saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y entrante (Figura 3).

Figura 3. Campo Eléctrico

La unidad con la que se mide es: Newton / Coulomb La letra con la que se representa el campo eléctrico es la E. Al existir una carga sabemos que hay un campo eléctrico entrante o saliente de la misma, pero éste es comprobable únicamente al incluir una segunda carga (denominada carga de prueba) y medir la existencia de una fuerza sobre esta segunda carga.

Conclusión El descubrimiento de las ondas electromagnéticas fue un el inicio de las cosas que hoy conocemos, como, por ejemplo, l as ondas de radio se emplean en la transmisión de señales para comunicaciones. Para las emisiones de radio y televisión se utilizan ondas de radio largas, que pueden reflejarse en la ionosfera y permiten detectar antenas situadas en lugares lejanos de la fuente emisora. Las ondas de radios medias, si bien sufren menos reflexión, también se utilizan para llegar a grandes distancias. Las ondas cortas no tienen esta propiedad, con lo cual, para reiterar la señal se utilizan satélites artificiales). Sin duda alguna los

experimentos realizados por Hertz ha sido uno de los más importantes para las cosas que hoy en dia son indispensables para la vida cotidiana.

Referencias 1. Braun, E. (2011). Electromagnetismo. De la ciencia a la tecnología. Fondo de cultura económica. 2. Lamberti, P. W. (1997). Las investigaciones de Heinrich Hertz sobre las ondas electromagnéticas. Revista de Enseñanza de la Física, 10(2), 37-47. 3. ORTIZ, E. R., & CUENCA, C. E. F. PROPUESTA DE AULA DESDE EL EXPERIMENTO DE HEINRICH HERTZ PARA LA CONSTRUCCIÓN DE IDEAS ALREDEDOR DE LA EXISTENCIA DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. 4. Martín, J. F., Nicotra, M., Leguizamón, C., & Galeasso, Á. (2016). Propuesta de recreación de los experimentos de Hertz en el Laboratorio de Enseñanza de la Física. Revista de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, 3(2), 147-150. 5. (s.f.). Obtenido de https://www.fisicapractica.com/campo-electrico.php 6. (s.f.).

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