Ondas ReflejadasClase 14
21-Noviembre-2014
Profundidad de Penetraciรณn
Las ondas E y H cuando viajan en un medio conductor, son atenuadas por
el factor ๐โ๐ผ๐ง al avanzar a lo largo de ๐ง. Esta atenuaciรณn es tan rรกpida que
a menudo las ondas pueden considerarse cero solo a unos pocos
milรญmetros de avance.
Considรฉrese que la regiรณn ๐ง โฅ 0 es un conductor y justo adentro del
conductor, en ๐ง = +0, ๐ธ tiene magnitud 1V/m. La profundidad de
penetraciรณn ๐ฟ , se define como la distancia a partir de la cual ๐ธ ha
disminuido a ๐โ1 = 0.368 ๐/๐.
Profundidad de Penetraciรณn
Profundidad de Penetraciรณn
De esta manera
๐ฟ =1
๐ผ=
1
๐๐๐๐
Por conveniencia, ๐ง = 5๐ฟ se toma a menudo como el
punto donde la funciรณn es cero, ya que ahรญ su valor es
0.0067 o 0.67% del valor inicial.
Profundidad de Penetraciรณn
A una frecuencia de 100 MHz en el caso del cobre, la profundidad
de penetraciรณn es de 6.61๐๐. Las ondas se atenรบan en 0.67% en
5๐ฟ ๐ 33๐๐. Por consiguiente, el termino propagaciรณn, cuando se
utiliza conjuntamente con el comportamiento de la onda dentro
de un conductor, es causa de mala interpretaciรณn.
Las Ondas E y H difรญcilmente se propagan.
Profundidad de Penetraciรณn
Como se vera en breve la mayor parte de una onda incidente
sobre la superficie de un conductor se refleja. Sin embargo la
porciรณn que continua dentro del conductor y se atenรบa
rรกpidamente no puede ignorarse completamente, porque da lugar
a una densidad de corriente de conducciรณn ๐ฝ๐ถ y a sus
concomitantes perdidas de potencia de tipo รณhmico.
Las cinco ecuaciones anteriores pueden combinarse para producir
las siguientes relaciones dadas en tรฉrminos de las impedancias
intrรญnsecas:
๐ธ0๐
๐ธ0๐ =
๐2โ๐1
๐1+๐2
๐ป0๐
๐ป0๐ =
๐1โ๐2
๐1+๐2
๐ธ0๐ก
๐ธ0๐ =
2๐2
๐1+๐2
๐ป0๐ก
๐ธ0๐ =
2๐1
๐1+๐2
Problema 1
Las ondas viajeras ๐ธ ๐ฆ ๐ป en el espacio vacรญo (regiรณn 1) inciden
normalmente en la entrecara con un dielรฉctrico perfecto (regiรณn
2), para el que ๐๐ = 3. Compare las magnitudes de las ondas ๐ธ ๐ฆ ๐ป
incidentes reflejadas y transmitidas en la entrecara.
Soluciรณn
๐1 = ๐0 = 120๐ ๐2 =๐
๐=120๐
๐๐= 217.7
๐ธ0๐
๐ธ0๐ =
๐2โ๐1
๐1+๐2= โ0.268
๐ป0๐
๐ป0๐ =
๐1โ๐2
๐1+๐2= 0.268
๐ธ0๐ก
๐ธ0๐ =
2๐2
๐1+๐2= 0.732
๐ป0๐ก
๐ธ0๐ =
2๐1
๐1+๐2= 1.268
Incidencia oblicua y las leyes de Snell
Una onda incidente que se aproxima a un plano entre dos medios
diferentes generalmente darรก como resultado una onda
transmitida en la primera. Las normales de las ondas reflejadas y
transmitidas, tambiรฉn se encuentra en el plano de incidencia. El
รกngulo de incidencia ๐๐, el รกngulo de reflexiรณn ๐๐ y el รกngulo de
transmisiรณn estรกn definidas en la siguiente figura.
Incidencia oblicua y las leyes de Snell
๐๐ = ๐๐ y la Ley de Snell de la Refracciรณn
๐ ๐๐๐๐
๐ ๐๐ ๐๐ก=
๐2๐2
๐1๐1
Problema
Una onda es incidente en un รกngulo de 30 ยฐ a partir del aire al
teflรณn. Calcular el รกngulo de la transmisiรณn y repetir con un
intercambio de las regiones.
Soluciรณn
Donde
๐1 = ๐2,๐ ๐๐ ๐๐
๐ ๐๐ ๐๐ก=๐ ๐๐30ยฐ
๐ ๐๐ ๐๐ก=
๐๐2
๐๐1= 2.1 ๐ ๐๐ก = 20.18ยฐ
Del teflรณn al aire
๐ ๐๐30ยฐ
๐ ๐๐ ๐๐ก=
1
2.1๐ ๐๐ก = 46.43ยฐ
Suponiendo ambos medios tienen la misma permeabilidad, de
propagaciรณn desde el medio รณpticamente mรกs denso ๐1 > ๐2
tenemos en consecuencia que ๐๐ก > ๐๐. A medida que aumenta ๐๐
como el รกngulo de incidencia se alcanzarรก este resultado en ๐๐ก =
90ยฐ.
En este รกngulo crรญtico de incidencia, en lugar de una onda que se
transmite en el segundo medio habrรก una onda que se propaga a
lo largo de la superficie.
El รกngulo critico esta dado por
๐๐ = ๐ ๐๐โ1 ๐๐2
๐๐1
Problema
El รกngulo critico para la onda de propagaciรณn del teflรณn al espacio
libre del problema anterior es:
๐๐ = ๐ ๐๐โ1 1
2.1= 43.64ยฐ
Polarizaciรณn Perpendicular
La orientaciรณn del campo Elรฉctrico E respecto al plano de
incidencia determina la polarizaciรณn de la onda entre las dos
diferentes regiones. En la polarizaciรณn perpendicular E es
perpendicular al plano de incidencia (el ๐๐๐๐๐ ๐ฅ๐ง en la figura
siguiente) y es paralelo a la densidad planar (Se utiliza en ciertos
casos teรณricos de aplicaciones fรญsicas como los de campo o
corriente elรฉctrica donde las caracterรญsticas de un material se
expresan en densidad por unidad de รกrea).
๐ธ0๐
๐ธ0๐ =
๐2๐๐๐ ๐๐กโ๐1๐๐๐ ๐๐
๐2๐๐๐ ๐๐+๐1๐๐๐ ๐๐ก
๐ธ0๐ก
๐ธ0๐ =
2๐2๐๐๐ ๐๐
๐2๐๐๐ ๐๐โ๐1๐๐๐ ๐๐ก
Polarizaciรณn Perpendicular
Tenga en cuenta que tendremos la siguiente condiciรณn
๐๐ = ๐๐ก = 0ยฐ
Polarizaciรณn Paralela
Para la polarizaciรณn paralela al vector de campo elรฉctrico ๐ธ se
encuentra totalmente dentro del plano de incidencia al plano
๐๐๐๐๐ ๐ฅ๐ง como se muestra en al siguiente figura.
๐ธ0๐
๐ธ0๐ =
๐2๐๐๐ ๐๐กโ๐1๐๐๐ ๐๐
๐1๐๐๐ ๐๐+๐2๐๐๐ ๐๐ก
๐ธ0๐ก
๐ธ0๐ =
2๐2๐๐๐ ๐๐
๐1๐๐๐ ๐๐โ๐2๐๐๐ ๐๐ก
Polarizaciรณn Paralela
Polarizaciรณn Paralela
En contraste con polarizaciones perpendiculares, si ๐1 = ๐2 habrรก
una incidencia particular para la que no hay onda reflejada. Esto
se le conoce como el รกngulo de Brewster y esta dado por:
๐๐ต = ๐ก๐๐โ1 ๐2
๐1
Problema 3
El รกngulo de Brewster para una onda polarizada paralela que viaja
del aire al vidrio para ๐๐ = 5 es:
๐๐ต = ๐ก๐๐โ1 5 โ 65.91ยฐ
Problema 4
ยฟ A que frecuencia puede considerarse la tierra un dielรฉctrico
perfecto si ๐ = 5 ร 10โ3๐
๐, ๐๐ = 1, ๐ฆ ๐๐ = 8? ยฟPuede suponerse ๐ผ = 0
a estas frecuencias?
๐๐ต = ๐ก๐๐โ1 5 โ 65.91ยฐ
Solucion
Suponemos arbitrariamente que
๐
๐๐โค
1
100esto marca la frecuencia de corte. Entonces
๐ =๐
2๐โฅ100๐
2๐๐= 1.13๐บ๐ป๐ง
Para ฯ/๐๐ pequeรฑo
๐ผ = ๐๐๐
21 +
๐
๐๐
2โ 1
Soluciรณn
๐ผ = ๐๐๐
21 +
๐
๐๐
2โ 1 โ ๐ผ = ๐ ๐๐
212
๐๐๐
2= ๐2
๐๐
๐ผ =๐
2
๐๐
๐๐120๐ = 0.333 ๐๐/๐
Asรญ pues no importa que tan alta sea la frecuencia, ๐ผ
serรก alrededor de 0.333๐๐
๐๐ ๐๐๐ ๐ 3๐๐ต/๐
Problema 5
Halle la profundidad de penetraciรณn ๐ฟ a una frecuencia de 1.6 Mhz
en el aluminio, donde 38.2๐๐
๐๐ฆ ๐๐ = 1. Tambiรฉn ๐พ y la velocidad de
onda U.
Problema 6
Calcule la impedancia intrรญnseca ๐, la constante de propagaciรณn ๐พ
y la velocidad de la Onda U para un medio conductor en el que
๐ = 58๐๐
๐, ๐๐ = 1, a una frecuencia ๐ = 100๐๐ป๐ง
Soluciรณn
๐พ = ๐๐๐โ 45ยฐ = 2.14 ร 105โ 45ยฐ ๐โ1
๐ =๐๐
๐โ 45ยฐ = 3.69 ร 10โ3โ 45ยฐ ฮฉ
๐ผ = ๐ฝ = 1.51 ร 105
๐ฟ =1
๐ผ= 6.61 ๐๐ ๐ = ๐๐ฟ = 4.15 ร 103๐/๐
Soluciรณn
๐ฟ =1
๐๐๐๐= 6.44 ร 10โ5๐ = 64.4๐๐
Como ๐ผ = ๐ฝ = ๐ฟโ1
๐พ = 1.55 ร 104 + ๐1.55 ร 104 = 2.20 ร 104โ 45ยฐ๐โ1
๐ =๐
๐ฝ= ๐๐ฟ = 647๐/๐
Problema 7
Una onda plana que viaja en la direcciรณn +๐ง, en el espacio vacรญo
๐ง < 0 incide en forma normal en ๐ง = 0 sobre un conductor (๐ง > 0)
para que el que ๐ = 61.7๐๐
๐, ๐๐ = 1. La onda E en el espacio vacรญo,
tiene una frecuencia ๐ = 1.5๐๐ป๐ง y una amplitud de 1V/m. En la
entrecara esta dada por
๐ธ 0, ๐ก = 1๐ ๐๐2๐๐๐ก ๐๐ฆ ๐/๐
Halle ๐ป ๐ง, ๐ก ๐๐๐๐ ๐ฅ, ๐ง > 0
Soluciรณn
Donde se tomara finalmente la parte imaginaria. En el conductor
๐ผ = ๐ฝ = ๐๐๐๐ = ๐ 1.5 ร 106 4๐ ร 10โ7 61.7 ร 106
๐ผ = 1.91 ร 104
๐ =๐๐
๐โ 45ยฐ = 4.38 ร 10โ4๐๐๐/4
Soluciรณn
Entonces๐ธ๐ฆ
โ๐ป๐ฅ= ๐
๐ป ๐ง, ๐ก = โ2.28 ร 103๐โ๐ผ๐ง๐๐ 2๐๐๐กโ๐ฝ๐งโ
๐
4 ๐๐ฅ ๐ด/๐
O tomando la parte imaginaria
๐ป ๐ง, ๐ก = โ2.28 ร 103๐โ๐ผ๐ง๐ ๐๐ 2๐๐๐ก โ ๐ฝ๐ง โ๐
4๐๐ฅ ๐ด/๐
Donde ๐, ๐ผ ๐ฆ ๐ฝ los que se dieron antes.
Problema 8
Examine el campo
๐ธ ๐ง, ๐ก = 10๐ ๐๐ ๐๐ก + ๐ฝ๐ง ๐๐ฅ + 10๐๐๐ ๐๐ก + ๐ฝ๐ง ๐๐ฆ
En el plano ๐ง = 0 para ๐๐ก = 0,๐
4,๐
2,3๐
4๐ฆ ๐
Problema 8
๐๐ ๐ฌ๐ = ๐๐๐๐๐๐๐ ๐ฌ๐ = ๐๐๐๐๐๐๐ ๐ฌ = ๐ฌ๐๐๐ + ๐ฌ๐๐๐
0 0 0 0
๐/4 10/ 2 10/ 210
๐๐ฅ + ๐๐ฆ
2
๐/2 10 0 10๐๐ฅ
3๐/4 10/ 2 โ10/ 210
๐๐ฅ + ๐๐ฆ
2
๐ โ10 โ10 10 โ๐๐ฆ
Los cรกlculos se presentan en la tabla 1
Problema 8
Como se muestra en la figura siguiente ๐ธ(๐ง, ๐ก) tiene polarizaciรณn
circular. Ademรกs la onda viaja en direcciรณn de โ๐๐ง
Potencia y Vector Poyting
Se escribe la primera ecuaciรณn de Maxwell para una regiรณn de
conductividad ๐ y luego se toma el producto escalar de ๐ธ con cada
tรฉrmino:
Donde, como es usual, ๐ธ2 = ๐ธ โ ๐ธ. E utiliza la identidad vectorial
๐ป โ ๐ด ร ๐ต = ๐ต โ ๐ป ร ๐ด โ ๐ด โ ๐ป ร ๐ต para cambiar el lado izquierdo de la
ecuaciรณn.
๐ป ร ๐ป = ๐๐ธ + ๐๐๐ธ
๐๐ก
๐ธ โ ๐ป ร ๐ป = ๐๐ธ2 + ๐ธ โ ๐๐๐ธ
๐๐ก
Potencia y Vector Poyting
Por la segunda ecuaciรณn de Maxwell, tenemos
Similarmente,
๐ป โ ๐ป ร ๐ธ โ ๐ป โ ๐ธ ร ๐ป = ๐๐ธ2 + ๐ธ โ ๐๐๐ธ
๐๐ก
๐ป โ ๐ป ร ๐ธ = ๐ป โ โ๐๐๐ธ
๐๐ก= โ
๐
2
๐๐ป2
๐๐ก
๐ธ โ ๐๐๐ธ
๐๐ก=๐
2
๐๐ธ2
๐๐ก
Potencia y Vector Poyting
Sustituyendo y reordenando tรฉrminos,
Si esta igualdad es valida, entonces la integraciรณn de sus tรฉrminos sobre un
volumen general ๐ฃ debe ser valida tambiรฉn
Donde el ultimo tรฉrmino ha sido convertido a una integral sobre la
superficie de ๐ฃ mediante el teorema de divergencia.
๐๐ธ2 = โ๐๐๐ธ2
๐๐กโ๐
2
๐๐ป2
๐๐กโ ๐ป โ ๐ธ ร ๐ป
๐ฃ
๐๐ธ2 = โ
๐ฃ
๐๐๐ธ2
๐๐กโ๐
2
๐๐ป2
๐๐กโ
๐
๐ธ ร ๐ป โ ๐๐
Potencia y Vector Poyting
La integral de la izquierda tiene unidades watts y es el termino รณhmico
conocido para representar la energรญa disipada en calor por unidad de
tiempo. Esta energรญa disipada tiene su fuente en las integrales de la
derecha. Comoฯต๐ธ2
2๐ฆ๐๐ป2
2son las densidades de energรญa almacenadas
en los campos elรฉctrico y magnรฉtico respectivamente, las derivadas
negativas respecto del tiempo pueden considerarse como una
disminuciรณn en esta energรญa almacenada. Por consiguiente, la integral final
(incluyendo el signo menos) debe ser la tasa de energรญa que penetra el
volumen desde fuera. Un cambio de signo produce el valor instantรกneo de
energรญa que abandona el volumen:
๐ ๐ก =
๐
๐ธ ร ๐ป โ ๐๐ =
๐
โ โ ๐๐
Potencia y Vector Poyting
Para ondas planas, la direcciรณn del flujo de energรญa es la direcciรณn de
propagaciรณn. De esta manera, el vector Poynting ofrece una forma una
forma รบtil y libre del sistema de coordenadas de hallar la direcciรณn de
propagaciรณn es conocida. Esto puede tener mucho valor cuando se
examinan ondas incidentes, transmitidas y reflejadas.
โ๐๐๐๐ =1
2๐ ๐ ๐ธ ร ๐ปโ
Potencia y Vector Poyting
Donde โ = ๐ธ ร ๐ป es el vector de Poyting, tasa instantรกnea de flujo deenergรญa por unidad de รกrea en un punto.
En el producto vectorial que define el vector de Poyting, los campos sesuponen reales. Pero si, ๐ธ ๐ฆ ๐ป se expresan en forman compleja y dependenen comรบn del tiempo, ๐๐๐ค๐ก, entonces el promedio de tiempo de โ estadado por
Donde ๐ปโ es la conjugada compleja de H.
De esto se sigue la potencia compleja del anรกlisis de circuitos, ๐ =1
2๐๐ผโ, de
la que la potencia es la parte real, ๐ =1
2๐ ๐๐๐ผโ
โ๐๐๐๐ =1
2๐ ๐ ๐ธ ร ๐ปโ
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