Fisica de Ondas Practica 2

7/24/2019 Fisica de Ondas Practica 2

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LABORATORIO DE FSICA DE ONDAS PRCTICA 2

Semestre lectivo: 2016-I ONDAS ELECTROMAGNTICAS 1-10

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DEMXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLN

DEPARTAMENTO DE FSICA

LABORATORIO DE FSICA DE ONDAS

PRCTICA No. 2:

ONDAS ELECTROMAGNTICAS

CONTENIDO PROGRAMTICO RELACIONADO:

UNIDAD 1: NATURALEZA DE LA LUZ.SUBTEMAS: 1.1, 1.4

SEMESTRE LECTIVO: 2016-I

NMERO DECUENTA

GRUPO

ALUMNO

CONCEPTO % CALIFICACINExamen Previo (Investigar y comprender) 20

Aprender a usar los equipos 10Trabajo en equipo 10Comparacin y anlisis de resultados 30Redaccin y Presentacin de reporte 30

Calificacin Final Prctica 2


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LABORATORIO DE PTICA Y ACSTICA

DEPARTAMENTO DE FSICA

PRCTICA No. 2


CUESTIONARIO PREVIO.

1.- Qu es una onda electromagntica?

2.- Mencione las caractersticas principales de una onda electromagntica.3.- Explique el fenmeno de induccin electromagntica.

4.- Defina el concepto de potencia electromagntica (vector poynting) y escriba su expresinmatemtica.

5.- Defina el concepto de irradiancia o intensidad de una onda electromagntica y escriba su expresinmatemtica.

6.- Defina y muestre la grfica del espectro electromagntico indicando longitud de onda y frecuencia.

7.- Indique el rango de frecuencia y longitud de onda de la luz visible.

OBJETIVOS.

I. Observar la induccin de ondas electromagnticas por medio del osciloscopio.II. Realizar mediciones de irradiancia o intensidad luminosa (para el caso de la luz

visible).

FUNDAMENTOS TERICOS


James Clerk Maxwell (1831-1879) resumi brillantemente las propiedades conocidas de losfenmenos elctricos y magnticos en cuatro ecuaciones, stas predicen la existencia de lasondas electromagnticas que se desplazan en el espacio vaco con rapidez definida igual a larapidez de la luz.


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Las ecuaciones muestran que los campos elctricos y magnticos que varan con el tiempoestn interrelacionados. Estas ecuaciones son:

1.-.- Ley de Gauss.- El flujo elctrico total a travs de cualquier superficie cerrada es igual ala carga neta dentro de esa superficie divida entre o.

2.- Ley de Gauss para el campo magntico.- El flujo magntico total a travs de una superficiecerrada es cero, es decir, el nmero de lneas de campo magntico que entran en un volumencerrado debe ser igual al nmero de lneas que salen.

3.- Ley de Faraday.- La integral de lnea del campo elctrico alrededor de cualquiertrayectoria cerrada es igual a la razn de variacin del flujo magntico a travs de cualquierrea superficial limitada por esa trayectoria, es decir, describe la forma en que puedeinducirse un campo elctrico mediante un flujo magntico variable.

4.- Ley de Ampere- Maxwell.- La integral de lnea del campo magntico alrededor decualquier trayectoria cerrada se determina mediante la suma de la corriente de conduccin

total a travs de la trayectoria y la razn de variacin de flujo elctrico a travs de cualquiersuperficie limitada por esa trayectoria, es decir describe como un campo magntico puedeser producido mediante un flujo elctrico variable, y una corriente de conduccin.

En la siguiente tabla se muestran las ecuaciones de Maxwell:

Nombre Forma Integral

1.- Ley de Gauss = =

2.- Ley de Gauss para elcampo magntico = 0

(Inexistencia de carga magntica aislada)

3.- Ley de Faraday

=

4.- Ley de Ampere- Maxwell

= + Tabla 2.1.- Ecuaciones de Maxwell

donde:= Flujo elctrico; = Campo elctrico; = Elemento de superficie;= Flujo magntico; = Permitividad del medio = Carga;= Campo magntico; = Elemento de superficie = Elemento de lneao.- cte. de permeabilidad


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Maxwell demostr que las ondas electromagnticas tenan una velocidad en el vaco igual a:

= (1)

donde:c.- velocidad en el vaco

o.- cte. de permeabilidad = 4 x 10-7( )o.- permitividad del medio =8.85418 x 10 12( )2

Sustituyendo los valores en la ecuacin (1): c= 2.99792 x 108(m/s)

Esta cantidad es aproximadamente 3 x 108m/s igual que la velocidad de la luz, por lo queMaxwell pudo afirmar que la luz es una onda electromagntica.

Las ondas electromagnticas estn originadas por cargas elctricas aceleradas. En stas, loscampos elctricos y magnticos son perpendiculares entre s y perpendiculares a la direccinde propagacin de la onda, debido a esto, son ondas transversales.

Las ondas electromagnticas no necesitan de un medio material para propagarse. La longitudde onda () y la frecuencia (f) de las ondas electromagnticas estn relacionadas mediante laexpresin:

c = f (2)

donde:c es velocidad en el vaco; es longitud de onda y f es frecuencia

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

La radiacin electromagntica se puede clasificar en un espectro desde ondas de frecuenciasmuy elevadas (con longitudes de onda pequeas) hasta frecuencias muy bajas (con longitudesde onda altas). La luz visible es slo una pequea parte del espectro electromagntico. Todaslas radiaciones del espectro electromagntico presentan las propiedades tpicas del

movimiento ondulatorio, como la difraccin y la interferencia.En la figura 2.1 se muestra el espectro electromagntico por orden decreciente de frecuencias(o bien, orden creciente de longitudes de onda).


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Figura 2.1.- Espectro electromagntico

El espectro electromagntico est integrado por:

Ondas de RadioLas ondas de radio se utilizan no slo en la radiodifusin, sino tambin en la telegrafainalmbrica, la transmisin por telfono, la televisin, el radar, los sistemas de navegacin yla comunicacin espacial.

Microondas

Las microondas tienen muchas aplicaciones: radio y televisin, radares, meteorologa,comunicaciones va satlite, medicin de distancias, investigacin de las propiedades de lamateria o cocinado de alimentos.

Infrarrojo

La radiacin infrarroja puede detectarse como calor.Los rayos infrarrojos se utilizan paraobtener imgenes de objetos lejanos ocultos por la bruma atmosfrica, que dispersa la luzvisible pero no la radiacin infrarroja. En astronoma se utilizan los rayos infrarrojos paraestudiar determinadas estrellas y nebulosas.

Luz Visible

Forma de radiacin electromagntica similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos

X. La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rpidas de un campo electromagntico,en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Lasdiferentes sensaciones de color corresponden a luz que vibra con distintas frecuencias, quevan desde aproximadamente 4 1014 vibraciones por segundo en la luz roja hastaaproximadamente 7.5 1014vibraciones por segundo en la luz violeta.

Ultravioleta


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La radiacin ultravioleta puede ser daina para los seres vivos, sobre todo cuando su longitudde onda es baja. La radiacin ultravioleta con longitudes de onda inferiores a 300 nm seemplea para esterilizar superficies porque mata a las bacterias y los virus. En los sereshumanos, la exposicin a radiacin ultravioleta de longitudes de onda inferiores a los 310 nm

puede producir quemaduras; una exposicin prolongada durante varios aos puede provocarcncer de piel.

Rayos X

Una forma de radiacin electromagntica o luz de muy alta energa (longitud de onda corta).Los rayos X son invisibles para nosotros, pero pueden fcilmente penetrar nuestro cuerpo.

Rayos Gama

Radiacin electromagntica de muy alta frecuencia y por lo tanto de alta energa, es emitidacomo consecuencia de la radioactividad.

CONCEPTOS NECESARIOS

1. Ondas electromagnticas

2. Ecuaciones de Maxwell

3. Potencia electromagntica

MATERIAL Y EQUIPO

1 Generador de funciones. 1 Osciloscopio con dos puntas de prueba. 1 Riel acanalado. 1 Fuente de poder. 1 Fuente de luz blanca. 1 Juego de filtros (transparente, cuadriculado, rayado, rojo y azul). 1 Soporte universal con pinzas.

2 Bobinas de 1000 espiras. 1 Fotmetro. 1 Colimador. Cables de conexin.

DESARROLLO

I.- GENERACIN Y PROPAGACIN DE ONDAS ELECTROMAGNTICAS.


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Figura 2.3.- Bobina inductora

a) Arme el dispositivo que se muestra en la figura 2.2

Figura 2.2 Generacin y propagacin de ondas electromagnticas

b) Para la conexin de la bobina inductora, en la figura 2.3:

Encienda el generador de funciones y:

- Seleccione la seal sinusoidal.

- Ajuste la frecuencia a 5 kHz con una amplitud mxima.

- Conecte el cable de salida en la terminal de 50 .

- Conecte el cable de salida del generador de funciones a una bobina (emisora) a susterminales A y E (cable rojo, terminal A; cable negro, terminal E).

- As mismo, conecte la entrada del canal 1 del osciloscopio a la misma bobina para observarla seal de entrada (positivo, terminal A; tierra, terminal E).

c) Para la conexin de la bobina inducida (receptora), en la figura 2.4:

Generador de funciones OsciloscopioBobinas de 1000 espiras

Terminal A

Terminal E

Terminal +


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Figura 2.4.- Bobina inducida

- Conecte las terminales A y E al canal 2 del osciloscopio (positivo, terminal A; tierra,terminal E).d) Coloque ambas bobinas frente a frente como se muestra en la figura 2.1

Aleje lentamente la bobina inducida en lnea recta y despus acrquela lentamente hasta laposicin original (cuide que el desplazamiento entre las bobinas sea en lnea recta).

1.- Explique lo observado en el osciloscopio.

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e) Considerando en el osciloscopio al canal 1 como la seal de entrada (bobina emisora) y alcanal 2 como la seal de salida (bobina receptora), llene la tabla 2.2.

Distanciade bobinas

Seal de entrada(bobina emisora)

Seal de salida(bobina receptora)

(cm)Frecuencia

(Hz)Voltaje

(V)Frecuencia

(Hz)Voltaje

(V)0

1

2

3

4

Tabla 2.2.- Propagacin de ondas electromagnticas

2.- Dibuje para la distancia de 4 cm de la tabla 2.2, las dos ondas observadas indicandoamplitud, perodo y frecuencia de cada una.

3.- La frecuencia de la bobina inductora (emisora) es la misma que la de la bobinainducida (receptora)?. Justifique su respuesta.

Canal 2

Terminal +


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4.- En esta prctica, para la generacin de las ondas electromagnticas Son los campos

elctrico y magntico variables constantes? Explique su respuesta_________________________________________________________________________

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II.- Intensidad luminosa (Potencia Eletromagntica o Irradiancia).

f) Arme el dispositivo que se muestra en la figura 2.5:

Figura 2.5.- Intensidad luminosa

g) Coloque la fuente de luz blanca a una distancia de 10 cm. del sensor ptico. El sensor

ptico debe quedar fijo en el soporte universal (por medio de masking tape) de manera que

quede alineado al centro de la luz blanca.

h) Encienda la fuente de luz blanca y el fotmetro, cambie los filtros segn se indica en la

tabla 2.23 (en cada cambio de filtro apague la luz para tomar las lecturas) y antelas en lacolumna 2 de la misma tabla.

(1 Lux= lumen/m)

Filtros

Sensor ptico

Fotmetro

Filtros

Fuente de luz blanca

Luz blanca


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Filtro Intensidad luminosa

lux

% de absorcin

Sin filtro

TransparenteCuadriculado

Rayado

Rojo

AzulTabla 2.3Intensidad luminosa

i) Para la tercer columna, (% de absorcin), utilice la siguiente frmula:

% absorcin = ( )100donde: ILsf = Intensidad luminosa sin filtro

ILcf = Intensidad luminosa con filtro

5.- Atendiendo a la tabla 2.3 Qu filtro absorbe ms cantidad de luz?

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6.- Atendiendo a la tabla 2.3 Qu filtro absorbe menos cantidad de luz?

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7.- CONCLUSIONES

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Bibliografa

(1) Fsica Conceptos y Aplicaciones; Paul E. Tippens; Mc Graw Hill, 7a Edicin.(2) Fsica Vol I, Resnick, Grupo Editorial Patria.5a edicin.(3) Fsica para Ciencias e Ingeniera, Vol. I; Giancoli; Pearson, 4a Edicin.(4) ptica; Eugene Hecht; Pearson, Addison Wesley; 3a Edicin.(5) Fsica Fundamentos y Aplicaciones, Vol. II; Robert M. Eisberg; Mc Graw Hill, 4aEdicin

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