Ondas Electromagnéticas y Antenas

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Articulo leído en el programa Colombiano para Radioaficionado el domingo 18 de Octubre 2015.

 

Las comunicaciones de radio se hacen usando “Ondas Electromagneticas” que están compuestas de un “campo eléctrico” y un “campo magnético” perpendicular entre sí, variables cíclicamente en el tiempo a una frecuencia dada. Si el campo eléctrico y magnético cambian periódicamente entonces se presenta el fenómeno que los dos campos se propagan en el espacio en dirección perpendicular a los dos campos.

Entonces, el campo eléctrico, el magnético y la dirección propagación son perpendiculares entre si. Perpendicular indica que sus direcciones están separadas 90 grados y como sinónimo usamos la palabra “Ortogonal”, por lo tanto perpendicular, 90 grados y ortogonal son equivalentes.

Los campos eléctricos o magnéticos tienen una magnitud o valor de su intensidad, asi mismo la propagación o desplazamiento tienen una magnitud que es su velocidad. Pero los tres componentes tienen a su vez una “dirección” o posición en el espacio en que su “magnitud” o intensidad se presenta. Ya hemos dicho que las direcciones del campo eléctrico, magnético y su desplazamiento son “ortogonales” es decir perpendiculares entre si.

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En matemáticas para manejar simultáneamente un componente o variable que tiene magnitud y dirección se utiliza el concepto de “vectores” y crea la matemática vectorial. Una ecuación que describa el comportamiento de un campo electromagnético es normalmente una “ecuación o función vectorial” y una forma de resolver las ecuaciones están asociadas al algebra vectorial.

Las ecuaciones encontradas por Carl Maxwell para describir el campo electromagnético son ecuaciones vectoriales (en su versión moderna de anotación).  Las soluciones a las ecuaciones de Maxwell han conducido al desarrollo de lo que conocemos como “radio”.

Los radioaficionados somos como lo dice la palabra aficionados a usar la radio, es decir ondas electromagnéticas que se rigen por las ecuaciones planteadas por Maxwell. Los radioaficionados somos emisores de ondas electromagnéticas y para ello usamos un trasmisor. Pero esto es en el hablar cotidiano porque el transmisor es un dispositivo eléctrico y estrictamente no produce ondas electromagnéticas.

El aparato o dispositivo que llamamos “transmisor” es un generador de corriente eléctrica alterna a una frecuencia muy alta similar a la usada en ondas electromagnéticas que le podemos dar el nombre de corriente de radiofrecuencia pero que no son ondas electromagnéticas. Los transmisores pueden genera corrientes de radiofrecuencia con una potencia dada (en vatios).

Para emitir ondas electromagnéticas (que es nuestro objetivo), necesitamos un elemento que nos convierta energía de corriente de radiofrecuencia a energía electromagnética y ese dispositivo es la “antena”.

Un principio en física dice que “la energía nunca se crea ni nunca se pierde, solo se transforma”. Todos los dispositivos físicos ya sean eléctricos o mecánicos tienen como fin transformar de una forma de energía a otra. Bajo este concepto la “antena” es la encargada de convertir la energía eléctrica del transmisor en energía electromagnética que liberamos al espacio.  Es más, hacemos todo el esfuerzo para que el transmisor no emita radiofrecuencia sino exclusivamente por la antena ya que toda radiación que no sea por la antena se considera espurea y se estima como perdida de energía.

Las antenas deben localizarse en espacios libres de objetos que puedan interferir con su misión de emitir ondas electromagnéticas al espacio, en cambio el transmisor debe estar protegido del espacio y cerca de los humanos que lo manipulan. Por este motivo, para conectar el transmisor y la antena que requieren ambientes opuestos se utiliza una “línea de transmisión” cuya función es llevar la corriente de radiofrecuencia generada por el transmisor hasta la antena con la menor perdida de energía.

Entonces los tres componentes de una estación de radio son: el transmisor, la línea de transmisión y la antena.

La antena resulta ser el elemento que realmente emite radio es decir ondas electromagnéticas. La antena es un convertidor de energía eléctrica a radio pero paradójicamente la antena es un dispositivo de construcción muy sencilla, sin un funcionamiento mecánico dinámico comparado con la complejidad que tiene un transmisor.

La base de una antena es un alambre o cable lineal con una longitud de ½ longitud de onda llamado un “Dipolo”. Toda antena es en su núcleo un dipolo al cual se le agrega componentes adicionales para mejorar su funcionamiento.

El dipolo teórico es un alambre de ½ onda alimentado en el centro con energía de radiofrecuencia. Pero cómo puede un simple alambre convertirse en un radiador de campo electromagnético? Es más el dipolo desde el punto eléctrico aparece como un circuito abierto y no debería circular electricidad, por lo menos eso es lo que uno pudiera pensar desde el punto de corriente continua, pero cuando consideramos corrientes alternas de muy alta frecuencia el alambre del dipolo empieza a comportarse diferentes.

Como hemos dicho el dipolo se alimenta en el centro. Entonces el transmisor pone en un instante del tiempo una carga eléctrica en el centro del alambre. La carga eléctrica, debido a la energía que le dio el transmisor para a circular por el alambre porque aun no sabe que en el extremo esta abierto. Cuando la carga alcance el extremo del alambre y encontrarlo abierto, no puede continuar y el único camino que le queda es regresarse con lo cual ocaciona una corriente contraria a la que se envió desde el centro.

La carga eléctrica se propago por el alambre a una velocidad casi igual a la de la luz, es decir 300.000 Kmt/seg. La carga toma un tiempo en ir del centro a la punta de alambre. Si la corriente que alimentamos el centro de la antena es oscilante a una frecuencia dada.

Ahora bien, si nosotros nos imaginamos una visión instantánea de la distribución de la corriente en el alambre encontraríamos diferentes intensidades en la longitud del alambre. Es decir que la corriente se distruirian por la longitud del alambre en una forma similar a la onda sinusoidal que alimenta el centro de la antena.

Si nosotros lograramos que los estremos de la antena fueran puntos donde la distribución fuera de cero corriente, el efecto de la corriente que se regresaría seria nulo. En una distribución sinusoidal hay dos puntos que son cero y estos están separados 180 grados. Como la onda total son 360 grados, 180 sería la mitad entonces la condición de tener nodos de cero corriente en los extremos lo conseguimos si la antena tiene una longitud equivalente a media longitud de onda. Cuando esto se consigue decimos que la antena esta sintonizada a esa frecuencia. Nótese que la condición es tener nodos ceros en los extremos y esto se consigue con media longitud de onda pero también con frecuencias que tengan números impares de medias longitudes, esto conduce a que una antena es resonante a una frecuencia y a sus armónicos impares de esta frecuencia.

Tambien podemos pensar que si el extremo de la antena corresponde a un nodo de cero corriente, la corriente que retorna está en la misma fase que la corriente que llega al extremo y se refuerzan. Si la corriente que regresa no está en fase entonces la corriente en un cualquier punto se reduce.

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Lo que se quiere decir  es que si una antena (que es un circuito abierto a la corriente continua) se alimenta con corriente alterna, va a aparecer una corriente eléctrica en el alambre y esta corriente será máxima si la longitud de la antena es ½ longitud de onda.

La corriente eléctrica genera un campo eléctrico paralelo a su circulación, es decir paralelo al alambre de la antena. El campo eléctrico es variable porque la corriente es variable a una frecuencia. De acuerdo a las predicciones de las ecuaciones de Maxwell, un campo eléctrico variable produce campos magnéticos que también serán variables. El campo magnético inducido tendrá una forma toroidal alrededor del alambre de la antena, es decir tendrá la dirección de anillos concéntricos al alambre de la antena que son perpendiculares a la dirección del alambre.

Según las mismas ecuaciones de Maxwell, un campo eléctrico y magnético perpendiculares entre si producen una onda electromagnética que se propagara en dirección perpendicular a los dos campos.

Como conclusión, el alambre de la antena va a provocar la aparición de un campo electromagnético que se va a propagar desde el alambre hacia el exterior.

 

 

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