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Act 2 de la Unidad 1
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Física II Unidad 1. Ondas electromagnéticas y planas. Actividad 2. Reflexión, Refracción, Interferencia y difracción. Grupo: TM-FIS2-1203-000Rafael Emilio Mendiola Avila. Facilitador: Manuel Gilberto Kent Sulu.AL10517971.al10517971@unadmexico.mx
Conceptos Lareflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.
Interferencia En física, la interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, etc. Puede producir aumento, disminución o neutralización del movimiento aleatorio.
En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor. Comparación entre los patrones de difracción e interferencia producidos por una doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo). La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda. En el espectro electromagnético los Rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de la estructura cristalina. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg. Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones. En los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a favor de la descripción ondulatoria que realiza la mecánica cuántica de las partículas subatómicas.
Aire qA Agua qw refracción Refracción Refracción:es la desviación de la luz conforme pasa de un medio a otro. N Los rayos incidente y refractado se encuentran en el mismo plano y son reversibles. Nota: el ángulo de incidencia qAen aire y el ángulo de refracción qAen agua se miden cada uno con la normal N.
Aire Agua Refracción distorsiona la visión El ojo, creyendo que la luz viaja en línea recta, ve los objetos más cerca de la superficie debido a refracción. Tales distorsiones son comunes.
c Índice de refracción v El índice de refracción El índice de refracción para un material es la razón de la velocidad de la luz en el vacío (3 x 108 m/s) a la velocidad a través del material. Ejemplos: aire n= 1; vidrio n = 1.5; agua n = 1.33
Medio 1 q1 v1 v2 q2 Medio 2 Ley de Snell: Ley de Snell La razón del seno del ángulo de incidencia q1 al seno del ángulo de refracción q2 es igual a la razón de la velocidad incidentev1a la velocidad refractada v2.
Medium 1 q1 q2 Medio 2 Ley de Snell e índice de refracción Otra forma de la ley de Snell se puede derivar de la definición del índice de refracción: Ley de Snell para velocidades e índices:
Aire n=1 Vidrio n=1.5 lA lG Longitud de onda y refracción La energía de la luz se determina por la frecuencia de las ondas EM, que permanece constante conforme la luz pasa adentro y afuera de un medio. (Recuerde: v = fl.) fA= fG lG < lA
Impacto en las telecomunicaciones Absorción Las ondas de radio, de cualquier clase, son atenuadas o debilitadas mediante la transferencia de energía al medio en el cual viajan cuando éste no es el vacío. La potencia de la onda decrece exponencialmente en el medio, correspondiendo a un decrecimiento lineal en dB (ver cálculo del presupuesto de enlaces con dB). Normalmente, un coeficiente de absorción (en dB/m) se usa para describir el impacto del medio en la radiación, de manera cuantitativa. En general, encontramos una fuerte absorción en los materiales conductores, sobre todo en metales. El otro material absorbente para las ondas, en las frecuencias relevantes a las redes inalámbricas, (rango de microondas) es el agua en todas sus formas (lluvia, neblina, y la contenida en el cuerpo humano). Encontramos absorción intermedia en rocas, ladrillos y concreto, dependiendo de la composición de los materiales. Lo mismo funciona para la madera, árboles y otros materiales; su comportamiento es fundamentalmente determinado por su concentración de agua. En el contexto de la absorción de las ondas de radio, los seres humanos y muchos animales pueden ser vistos como recipientes de agua, en consecuencia como materiales absorbentes prominentes.
Reflexión Todos conocemos la reflexión de las ondas visibles en espejos o superficies de agua. Para la radio frecuencia, la reflexión ocurre principalmente en el metal, pero también en superficies de agua y otros materiales con propiedades similares. El principio básico de la reflexión es que una onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta una superficie.
Difracción La difracción es un fenómeno basado en el hecho de que las ondas no se propagan en una sola dirección. Ocurre cuando las ondas encuentran un obstáculo en su trayectoria y divergen en muchos haces. La difracción implica que las ondas pueden “dar la vuelta” en una esquina. La difracción es una consecuencia directa del principio de Huygens, y se incrementa en función de la longitud de onda. Esto significa que puede esperarse que las trayectorias de las ondas se aparten de la rectilínea más fácilmente a medida que se incrementa la longitud de onda. Esa es la razón por la cual una estación de radio AM que opera a 1000 kHz (con una longitud de onda de 300 m) se oye fácilmente aún cuando haya considerables obstáculos en su trayecto, mientras que con redes inalámbricas (con una longitud de onda de 12 cm) se requiere una línea de vista entre transmisor y receptor.
Refracción La refracción es la desviación aparente de las ondas cuando encuentran un medio con composición diferente. Cuando un frente de onda pasa de un medio a otro diferente, cambia de velocidad y en consecuencia, de dirección. Las líneas azules representan el frente de onda entrante mientras que las rojas representan el frente de ondas desviadas por la refracción. C1 es un medio con una velocidad de propagación mayor a C2. El ángulo que forman ambos frentes de onda depende de la composición del material del obstáculo (C2).
Interferencia Las ondas con una misma frecuencia y una relación de fase (posición relativa de las ondas) constante pueden anularse entre sí, de manera de la suma de una onda con otra puede resultar en cero. a) Máxima amplificación b) Anulación completa Para que esto ocurra en su forma más pura (anulación máxima o amplificación completa), las ondas deben tener exactamente la misma longitud de onda y energía, y una relación de fase específica y constante. En tecnología inalámbrica, la palabra interferencia se usa típicamente en un sentido más amplio, como perturbación debido a otras emisiones de radio frecuencia.
Conclusión: Seguimos estudiando las propiedades de la luz, la forma de propagación de las ondas electromagnéticas a través de distintos medios. Ahora puedo reconocer los fenómenos físicos como la refracción, reflexión, difracción e interferencia que pueden modificar una onda electromagnética en el medio ambiente. Todos estos fenómenos están interrelacionados y dependientes del medio y ángulo de incidencia. Estas son las bases para en tender el como y porque se lleva acabo una comunicación por medio de la propagación de ondas electromagnéticas y los fenómenos físicos que alteran una onda electromagnética. Lo visto es fundamental en Telemática.
Fuentes: • http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/OptGeometrica/reflex_Refrac/Refraccion.htm • http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/snell/snell.htm • http://platea.pntic.mec.es/~jmarti2/2Fisica/11-luz.pdf • http://www.it46.se/courses/wireless/materials/es/03_Radio-Fisica/03_es_radio-fisica_guia_v01.pdf • http://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_(f%C3%ADsica) • http://es.wikipedia.org/wiki/Refraccion • http://es.wikipedia.org/wiki/Interferencia • http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Slit_Diffraction.png?uselang=es
