fis ea u4 equipo

Evidencia de aprendizaje. Sistema de comunicaciones del satélite.

Física Unidad 4

Asignatura

Física

Nombre del alumno

Adelaida González Cabrera

MATRICULA: AL12503758

Acapulco de Juárez Gro, a 09 de diciembre de 2012

“Uso de las leyes de Newton y de la ley de gravitación universal”

Introducción

Un satélite artificial es una nave espacial fabricada en la Tierra o en otro lugar del espacio y enviada en un vehículo de lanzamiento, un tipo de cohete que envía una carga útil al espacio exterior. Los satélites artificiales pueden orbitar alrededor de lunas u objetos naturales

AL12503758 Página 1Adelaida González Cabrera


Física Unidad 4del espacio, cometas, asteroides, planetas, estrellas o incluso galaxias. Tras su vida útil, los satélites artificiales pueden quedar orbitando como basura espacial.

Una órbita geoestacionaria o GEO es una órbita geosíncrona en el plano ecuatorial terrestre, con una excentricidad nula (órbita circular) y un movimiento de Oeste a Este. Desde tierra, un objeto geoestacionario parece inmóvil en el cielo y, por tanto, es la órbita de mayor interés para los operadores de satélites artificiales de comunicación y de televisión. Esto es porque su periodo orbital es igual al período de rotación sidéreo de la Tierra, 23 horas, 56 minutos y 4,09 segundos. Debido a que su latitud siempre es igual a 0º, las localizaciones de los satélites sólo varían en su longitud, se encuentran en el llamado cinturón de Clarke es la zona del espacio, aproximadamente a 35.786 km sobre nivel del mar, en el plano del ecuador donde se puede conseguir órbitas geoestacionarias.

Las órbitas geoestacionarias son útiles debido a que un satélite parece estático respecto a un punto fijo de la Tierra en rotación. El satélite orbita en la dirección de la rotación de la Tierra, a una altitud de 35.786 km. Esta altitud es significativa ya que produce un período orbital igual al período de rotación de la Tierra, conocido como día sideral. Como resultado, se puede apuntar una antena a una dirección fija y mantener un enlace permanente con el satélite. Se utiliza una órbita de transferencia geoestacionaria para trasladar un satélite desde órbita terrestre baja hasta una órbita geoestacionaria.

Dispositivos estabilizadores de los satélites

Los satélites cuentas con una serie de dispositivos estabiliadores, pero no son mecánicos son podria decirse mecatrónicos, por que utilizan algunas estrategias como la gravedad para su uso pero dado que no hay gravedad y no hay aire, los dispositivos mecánicos no son exactamente los mas usados, a continuación se describen esos mecanismos

El papel del control de estabilidad generalmente consiste en mantener los ejes metálicos alineados con el sistema de coordenadas local con una precisión definida por la amplitud de la rotación en cada uno de esos ejes. En un satélite geoestacionario son valores típicos ±0.05° para pitch y roll y ±0.2° para yaw.

El mantenimiento de la estabilidad requiere funciones de dos tipos:

Una FUNCION DE DIRECCION que consiste en hacer que una cara del satélite esté orientada hacia la Tierra girando alrededor del eje de pitch para compensar el movimiento aparente de la Tierra respecto del satélite. Para un satélite geoestacionario esta rotación se realiza a la velocidad constante de una revolución por día (0.25°/minuto).

Una FUNCIÓN DE ESTABILIZACION que incluye la compensación de los efectos de los pares perturbadores. Estos pares son creados por fuerzas gravitacionales, presión de la radiación solar y la interacción entre la electrónica del satélite y el campo magnético de la Tierra. Son pequeños, del orden de 10-4 -10 –5.



Física Unidad 4En el pasado se utilizaban controles de estabilidad pasivos. Esto implicaba utilizar los efectos de los pares de fuerzas naturales para mantener la estabilidad requerida, pero la precisión obtenida era incompatible con los requerimientos de los satélites de comunicaciones que usaban antenas directivas, ya que requerían un apuntamiento preciso. Consecuentemente, ahora se utilizan controles de estabilidad activos. El proceso implica:

Medida de la estabilidad del satélite respecto a referencias externas. Determinar la estabilidad respecto a una referencia predefinida. Evaluar la función de los actuadores. Ejecutar las correcciones por medio de los actuadores montados en el satélite. Seguimiento de la evolución de la estabilidad durante el movimiento del satélite influido por la acción de los pares perturbadores y

de corrección.

El sistema puede operar en bucle cerrado a bordo del satélite, con lo que el control de los actuadores es generado directamente en el propio satélite en función de las salidas de los sensores de estabilidad. Dichas salidas pueden ser también transmitidas a una estación terrena a través de Telemetría para que la estación evalúe las acciones correctivas correspondientes. En la práctica, se utiliza una combinación de estas dos técnicas.

Aunque se realice control de estabilidad activo, también es útil sacar partido de efectos naturales tales como:

Uso de rigidez giroscópica obtenida por la creación de un momento angular a bordo del satélite. Creación de pares de control usando espiras magnéticas que interactúan con el campo magnético terrestre. Generación de pares de control aprovechando la presión de la radiación solar.

El uso de los efectos naturales nos ofrece una mayor flexibilidad en el control de la estabilidad y reduce de manera considerable el consumo de combustible.

SISTEMA DE COMUNICACIONES.

Los ingenios espaciales, satélites, sondas o naves tripuladas, llevan un sistema de comunicaciones con el centro de control terrestre (a través de su red de estaciones de seguimiento distribuidas por el planeta) a través de un sistema de radio más o menos complejo, con diversos canales para voz (en su caso), imágenes o datos codificados. La finalidad es posibilitar el seguimiento y control de la misión mediante el envío de órdenes y la recepción de datos de todo tipo.



Física Unidad 4Los aparatos llevan, como es natural, varias y diferentes antenas y aparatos para la emisión y recepción, modulador y demodulador

para la conversión de frecuencias a niveles interpretables (por ejemplo, a audio), amplificadores, micrófonos, conexiones, altavoces, etc. También pueden llevar, sobre todo en el caso de satélites de investigación, sistemas de grabación de datos para su posterior retransmisión; muchas veces, al tiempo de la toma de datos, los mismos no pueden ser transmitidos por no disponer de estación terrestre receptora, en cuyo caso se guardan para su envío a una orden o bien automáticamente al sobrevolar una estación adecuada.

Las antenas pueden ser de alta, media y baja ganancia, correspondiendo la velocidad de transmisión proporcional a las mismas. Las omnidireccionales son antenas que emiten en todas direcciones y no precisan orientación pero son por ello de baja ganancia. Una de tipo parabólico necesita en cambio de una orientación u apuntamiento muy preciso pero podría no estar disponible en determinada posición del satélite.

Los tipos de antena receptoras en tierra pueden ser, además de las parabólicas, las de tipo plano, que en tierra son de más fácil instalación; otras posibles son las llamadas de Cassegrain, o doble reflector, cónicas, etc. Para un control y seguimiento continuado, la antena terrestre ha de estar siempre apuntando hacia la posición del satélite; por ellos, las compañías que tienen varios satélites en órbita tienen que tener tantas antenas como satélites.

En cualquier caso, tanto en las antenas de satélite como las terrestres, el tamaño de las mismas está en función inversa de la potencia de la señal transmitida. Una mayor potencia de transmisión permite pues llevar antenas más pequeñas y cuanto mayor sea la potencia emisora del satélite menor podrá ser la antena terrestre de recepción. De ahí que con muy grandes antenas terrestres sea posible captar sondas siderales a grandes distancias y con muy poca potencia de emisión. El satélite también puede utilizar antenas de haces dirigidos o estrechos o finos, cuya potencia al concentrar la energía permite mejorar la recepción en las antenas de tierra. Por ello, en realidad, no cuenta solo el tamaño sino también frecuencias, concentraciones del haz de emisión y la potencia.

En la recepción hay que considerar no solo la frecuencia de emisión sino los movimientos del propio satélite, o sonda, y de nuestro planeta, en efecto Doppler, así como otros factores atribuidos en el propio satélite (como las temperaturas), hecho que según el caso puede proporcionar ligeros corrimientos en la banda que han de ser tenidos en cuenta.

En los enlaces con satélites se dice que hay dos tipos de enlace, los ascendentes y los descendentes. Los primeros son las comunicaciones enviadas desde las estaciones o centros de control hacia el satélite, en tanto que los segundos, los llamados haces descendentes, son las señales emitidas por el ingenio hacia su destino terrestre (estaciones, antenas caseras, o, en general, entidades receptoras de que se trate) con ayuda del transpondedor (repetidor), cuya función es cambiar la frecuencia, amplificarla y emitir hacia tierra. Las frecuencias son en ambos casos distintas para evitar interferencias, como es natural. El número de canales posibles del satélite determina su ancho de banda, mejor cuanto más alto. La posible cercanía de canales en emisión puede dar lugar a interferencia y ello se evita con la llamada polarización (vertical u horizontal). Cuando se convierten las frecuencias, amplificadas, se pueden separar en bloques que contienen canales de voz, TV, datos, etc., con ayuda de un demultiplexor (que tiene pues una entrada y varias salidas).

En general, las Bandas y sus frecuencias (o RF, radiofrecuencias) son las indicadas en el cuadro siguiente. Dentro de una banda se utilizan las gamas menores llamadas canales.



Física Unidad 4

Banda Frecuencia en GHz Longitud de onda, en cm

HF 0,003 a 0,03

VHF 0,03 a 0,3

UHF 0,3 a 1

L 1 a 2 30 a 15,00

S 2 a 4 15 a 7,50

C 4 a 8 7,50 a 3,75

X 8 a 12 3,75 a 2,40

Ku 12 a 18 2,40

K 18 a 27 a

Ka 27 a 40 0,75

V 40 a 75

W 75 a 110

mm 110 a 300

Las frecuencias recomendadas en su día por la UIT, organismo que regula y coordina la materia, para los satélites fueron:

Banda Frecuencias

VHF 140 a 270 MHz

UHF 400 a 900 MHz



Física Unidad 4

L 1,4 a 1,8 GHz

S 2 GHz

C 4 a 6 GHz

Ku 10,7 a 18 GHz

Ka 20 a 30 GHz

Una de las bandas más usadas por los satélites de telecomunicaciones domésticas es la Ku. La utilizan, por ejemplo, los satélites de los programas INTELSAT, Hispasat, DFS, Telecom, Turksat, Astra, Gorizont, EUTELSAT, Panamsat, etc. Pero también algunos de los mismos, como algún INTELSAT, utilizan la banda C.

La asignación de frecuencias de ITU establece canales distintos según sean los enlaces ascendentes (hacia el satélite) o descendentes (emisiones orbitales del mismo hacia tierra), existiendo algunas reservadas para el sector aéreo, otras exclusivas marítimas, otras compartidas, y según regiones; las regiones son 3 para la ITU: 1) Europa, África y parte norte de Asia, 2) Toda América y 3) Asia excepto la zona antes indicada.

En 1997, la saturación de frecuencias llevó a la empresa americana Hughes con su programa Expressway de satélites geoestacionarios a considerar la llamada Banda V, con frecuencias de entre los 39,5 y los 50,2 GHz, por encima pues de la Banda K.

Aunque se utilizan las ventanas atmosféricas para las comunicaciones espaciales, a veces, cuando la señal es débil, las mismas pueden verse alteradas y no solo por radiación solar ocasionalmente, sino por cosas tan ordinarias como la lluvia. Existen diversas fuentes de ruidos en las comunicaciones por radio procedentes de estrellas y por tanto del propio Sol, de la atmósfera, de las actividades industriales o tecnológicas en la superficie terrestre, y otros factores del propio enlace.

Como sea que las señales emitidas por los satélites o sondas no tienen “nacionalidad”, su captación puede ser hecha por cualquier país que se halle en el área de recepción, por cualquier persona, que disponga, eso sí, de las antenas necesarias y conozca desde luego la frecuencia, o sepa buscarla. Por ello, las emisiones que así lo precisan (TV digital por ejemplo) son codificadas. Esto también es válido sobre todo para ingenios militares y también para datos científicos de satélites y sondas interplanetarias.

Las emisiones de radio de un satélite, y también una sonda o nave espacial, también sirven para determinar la velocidad (en base al efecto Doppler de la señal) y posición de la misma en su trayectoria en el espacio en su detección desde una estación terrestre.



Física Unidad 4En la opción Doppler, la frecuencia de recepción (Fr) es igual a la frecuencia de emisión (Fe) en función de la velocidad radial (Vr),

considerada la velocidad de transmisión la de la luz (c) y el valor positivo o negativo (±) según sea acercamiento o alejamiento la señal respecto al observador, según la fórmula

Fr=Fex(1±Vr/c)

A partir de aquí, desdoblando la velocidad en distancia/tiempo y consideradas las coordenadas de emisora y receptor, se establecen mediante varias ecuaciones los parámetros orbitales, la distancia entre el satélite y el receptor, incluso con varios satélites la posición de éste último. Sin embargo, también hay que tener presentes a la hora de la verdad las interferencias posibles de origen ionosférico y otros factores de error, lo cual hace la cosa un poco más compleja de lo que aparenta en principio.

Telemetría. Forma parte del sistema de comunicaciones. Consiste en la transmisión automática y sistemática en señales de radio de datos sobre el estado de los sistemas vitales del satélite o nave espacial así como sobre resultados o estado de los experimentos científicos, labores tecnológicas, etc.; puede incluir fotografías, datos numéricos, etc.

SISTEMAS CIENTÍFICOS Y DE APLICACIONES TECNOLÓGICAS.

Antes de nada, hay que señalar que las principales características de ventaja que el espacio da a un ingenio, satélite o nave espacial, son: posición y microgravedad. La posición es la situación de privilegio que la órbita permite a un ingenio para el reconocimiento terrestre, para servir de repetidor en comunicaciones, o para la investigación astronómica, que evita el filtro atmosférico. La microgravedad es en la práctica un factor resultante, también llamado en ocasiones inexactamente gravedad cero o ingravidez, que permite gran número de investigaciones de todo tipo. En realidad la gravedad existente en un ingenio en órbita es solo una 10.000 parte de la habida en la Tierra a nivel del mar; esto significa que la aceleración debida a la gravedad es muchísimo más lenta en el espacio. En tierra, la microgravedad solo se puede experimentar durante un vuelo parabólico de aviones durante medio minuto o menos o bien en torre de caída libre, como las francesas de Châtillon sous Bagneux, de 40 m de altura, que proporcionan solo 3 seg de ingravidez, la americana del Centro Marshall de 90 m que proporciona 4 seg o la alemana de Bremen con 110 m de altura y 4,7 seg de caída libre; en vuelos suborbitales de cohetes sonda se logra algo más, unos minutos.

Los sistemas científicos o de experimentación y tecnológicos de los satélites son los que justifican la misión, los que se disponen expresamente para la finalidad con que se envía el ingenio al espacio.

Los aparatos, tanto los técnicos como los científicos, son generalmente resultado de la adaptación a las condiciones del espacio de los creados en tierra para otros menesteres de igual índole. Pero a veces son creaciones propias derivadas de la necesidad concreta que se diseña. En cualquier caso la adaptación suele consistir en una mayor resistencia, miniaturización, capacidad de aislamiento respecto a vibraciones, temperaturas extremas y radiaciones, así como del vacío en su caso; en resumen, su adaptación al espacio.

Se pueden clasificar todos en dos grandes grupos: científicos y tecnológicos.

o Los científicos admiten una variedad tal de instrumental acorde con la finalidad o destino investigador del ingenio (espectrómetros, cámaras de todo tipo, etc.), de modo que no resulta fácil citarlos todos.



Física Unidad 4o Los de aplicaciones tecnológicas dependen del tipo de satélite de aplicaciones de que se trate. Un satélite de

comunicaciones llevará equipos de recepción y transmisión (antenas, transpondedores o repetidores, etc.), uno meteorológico equipos fotográficos y también trasmisores, uno de recursos naturales cámaras multiespectrales, etc.

De los aparatos y experimentos posibles, con independencia aquí de su concreta finalidad, que puede ser determinante para su exacta configuración, se puede hacer una cita general, señalando que los específicos de las sondas lunares y planetarias se mencionan en su apartado con mayor concreción; algunos no suelen ser de general aplicación en el caso de los satélites terrestres. Pero los específicos de satélites, en cambio, si son utilizados con pocas modificaciones en las sonda lunares y planetarias, y sobre todo en las naves tripuladas en órbita terrestre. Para completar esta información que aquí se ofrece sobre aparatos y técnicas conviene ver también el capítulo correspondiente de sondas lunares e interplanetarias.

El instrumental tecnológico deriva a veces del científico y es generalmente un sistema estándar y regularizado de aplicación común o masiva. Son cámaras de imágenes, sistemas de radar, detectores, espectrómetros, etc.

Se citan alfabéticamente a continuación una serie de técnicas o instrumental propia de los satélites. Al final se hace referencia en apartado expreso del tema de las imágenes desde el espacio, por resultar de especial interés.

Altímetros . Sistemas de medición de la altitud sobre la superficie por cálculo del retorno de la señal a modo de radar. También se utiliza para medir el nivel del mar, velocidad de las corrientes y vientos de superficie, mareas, tormentas, hielos, etc. En cualquier caso, la exacta posición orbital del satélite es fundamental en tal determinación y los datos pueden estar necesitados de corrección debido a su alteración por la interposición de nubes de vapor de agua en la atmósfera y otros entes en suspensión. Los altímetros se utilizan también en las sondas lunar-planetarias. En aeronáutica también pueden ser barométricos y tal opción puede ser válida para otros cuerpos celestes con atmósfera, pero dentro de las peculiaridades de presión de ésta que será diferente a la terrestre para una misma altura dada.

Biología. Experimentos biológicos en satélites. Consisten en gran número de comprobaciones de toda la gama de actividad fisiológica de los distintos seres (pequeños mamíferos, insectos, peces, plantas, etc.) en la microgravedad o bajo las condiciones de radiación propia del espacio. Se estudia el comportamiento a todos los niveles, molecular, de tejidos, de órganos, sistemas y del ser en su conjunto bajo la condición de microgravedad y para ver los efectos de la misma, así como de las radiaciones. Sus aplicaciones son múltiples y en gran número de casos nos afectan en tanto que preceden la medicina humana espacial. Se estudia el crecimiento de los vegetales para tratar de establecer huertos espaciales para alimentación humana y para integrar el ciclo del oxígeno y el agua. Los chinos proyectaban en 2003 la creación en el espacio de variedades de arroz y trigo (fundamentales en la alimentación de este gigantesco país asiático) de crecimiento rápido y alta calidad, basando sus expectativas en las mutaciones que de las condiciones del espacio, tal como la microgravedad, se puedan esperar; antes de 2003 ya habían ensayado en el cosmos tales cereales así como maíz y otras plantas.

Se estudian en los insectos cómo afecta la microgravedad al desarrollo de larvas y el crecimiento de toda la especie en sucesivos ciclos generacionales. Se observa las pérdidas en los sistemas óseos y musculares de pequeños seres, como los ratones, etc.



Física Unidad 4Los experimentos con algunos animales fueron determinantes para las primeras experiencias con tripulantes humanos. Curiosamente,

los soviéticos eligieron para averiguar los posibles problemas fisiológicos en el espacio a perros en tanto que los norteamericanos utilizaron monos; en ambos casos se les dotó de sensores corporales para averiguar en todo momento sus constantes vitales, de modo que iban semi-envueltos en una especie de traje cableado. Aparentemente, el mono está más próximo al hombre, pero los estudios sobre reacciones de obediencia cara a algunas de las pruebas resultaron más propicios con los canes (no se olviden los estudios del destacado investigador ruso Ivan P. Pavlov en este aspecto) en tanto que los simios fueron más inestables, caprichosos o nerviosos, y finalmente con menos disciplina.

Considerado el problema de la microgravedad, en los primeros vuelos, para alimentar a los perros, los soviéticos prepararon una especie de pasta con una hoja que se iba plegando a una señal transmitida desde la Tierra. La pasta contenía lo necesario, incluido el agua, para la subsistencia en los días calculados. La dosificación de agua con otro tipo de animales se hizo por medio del uso de mechas. Para el seguimiento de las actividades animales se utilizan cámaras y diversos dispositivos de estudio anexos tal como detectores de radiación, etc.

Bolómetro. Instrumental para medir toda la radiación emitida por un ente en las diversas longitudes de onda. Fue concebido en 1878 por Samuel Langley para el estudio de la radiación IR solar. Ver los distintos detectores de radiación.

Cámaras de imágenes . Ver fotografías al final de este apartado. Utilizadas también por las sondas.

Colectores de viento solar, o partículas y radiación en general. Se trata de pantallas o materiales dispuestos para la captura por contacto directo en interposición en las corrientes que afluyen en un lugar determinado de viento solar, partículas atómicas de otra procedencia o de cualquier tipo de radiación de alta frecuencia en general. También se utilizan en ingenios planetarios.

Contadores de partículas . Ver Detectores de partículas.

Crecimiento de cristales . En la migrogravedad el crecimiento de cristales de proteínas u otros aminoácidos, o también de materiales, es más uniforme, regular u ordenado al no existir los movimientos convectivos por gravedad, y sin influencia de temperaturas ni densidad. Eso facilita a los investigadores la consecución de los datos sobre tal crecimiento y las estructuras moleculares, comprendiendo mejor las mismas, para lograr en definitiva sustancias más puras; se estudia en concreto la integración atómica, los enlaces, la distancia y otros parámetros. Se logra también una visión tridimensional de los cristales que permite su mejor análisis. Aunque tales sustancias no están cristalizadas en el cuerpo humano, el sometimiento a este proceso es necesario para su estudio por difracción de rayos equis. En el vuelo tripulado STS-95 con la proteína lisozima se consiguieron cristales de una resolución de 0,96 Angstroms, una de las más elevadas hasta entonces. En tierra se realizan pruebas con resoluciones de hasta 1,3 Angstroms, pero crecen con distorsión.

Las técnicas utilizadas en el espacio para esta formación de cristales son la congelación de un líquido, o condensación de un vapor sobre un sólido, o la fundición a la temperatura requerida. Los compuestos utilizados, con independencia de la finalidad, son muchos, pero en el caso de los tecnológicos podemos citar algunos como los sulfuro, teluro y seleniuro de germanio, el antimoniuro de indio, arseniuro de galio, plata, teluro de plomo, fosfato de calcio, etc.



Física Unidad 4El relativo interés de estos experimentos está en la industria farmacéutica y tecnológica; los cristales son pieza básica en la tecnología

de las comunicaciones y la electrónica (láseres, óptica, optoelectrónica, informática, etc.). El NRC americano minimizó en 1999 la importancia de los experimentos de crecimiento de cristales de proteínas en la microgravedad y apuntó a su elevado coste. Sin embargo, está reconocido que las investigaciones espaciales en esta materia ya han servido para perfeccionar en tierra métodos de consecución más ventajosos. En las estaciones espaciales tripuladas soviéticas/rusas también se han utilizado diversas instalaciones para este tipo de experimentos: Ainur, Biocryst, etc. Los americanos empezaron en firme sus ensayos en el Skylab, donde, por ejemplo, se logró un monocristal de seleniuro de germanio 10 veces mayor que el logrado en tierra.

Detectores de micrometeoritos y polvo cósmico . Consisten en pequeñas superficies expuestas al entorno espacial bajo las que se disponen sensores que identifican los impactos de polvo y micrometeoritos, analizando la cantidad de impactos, su intensidad, frecuencia, energía, dirección, velocidad. Utilizados también por las sondas.

Detectores de ondas de plasma . Son sistemas identificadores de las características electrostáticas y electromagnéticas de campos magnéticos del plasma en el medio recorrido, estableciendo la relación de interacción con partículas de la magnetosfera. Utilizados también por las sondas.

Detectores de partículas. Sistema electrónico o electro-óptico, que puede ser una cámara con un tipo de gas que queda ionizado al ser atravesado por partículas, o ente que se ve afectado por la incidencia de las mismas, reflejando su nivel de afluencia a una señal que se puede medir. Es decir, son contadores y medidores de partículas, pero también se pueden llevar materiales que son luego examinados en tierra (si es posible devolverlos). Se averigua así la afluencia de las partículas, su distribución, procedencia, energía, carga, etc. Son ejemplos los detectores de rayos cósmicos, detectores de iones, detectores de viento solar, detectores de partículas de alta energía, detectores de partículas cargadas, detectores de plasma, detectores de rayos equis, contadores Geiger-Müeller y otros, como el detector de antimateria, que dispone de un contador de partículas, un registrador de la trayectoria de las mismas, otro de su velocidad, amplificador, etc.; lleva potentes imanes. Utilizados también por las sondas.

Como ejemplo, un detector (doble) de altas energías puede llevar una cápsula de gas con un ánodo para captar electrones y unos medidores eléctricos. Los gases nobles, como el argón, neón, xenón, etc., solo pueden ser ionizados con energía entre 20 y 30 eV, ocasionando solo 2 iones. Cuando inciden la radiación, la energía llegada, la misma es parcialmente perdida ante la presencia de tal gas, quedando el mismo ionizado en cierto grado. La medición de estos iones es lo que identifica la energía y el rayo que llega. Pueden llevar ventanas de berilio o similar. La orientación de los aparatos permite localizar angularmente las fuentes con mayor o menor precisión de minutos o segundos de arco y así, realizando barridos, se pueden confeccionar mapas de las distintas fuentes celestes. Para su calibración se pueden utilizar fuentes radiactivas propias llevadas para ello, activadas en su momento.

Para la detección de rayos cósmicos y partículas de alta energía en cuanto a otro sistema, en Apollo 16, por ejemplo, se utilizaron 4 paneles, cada uno de distinta universidad, y distintos materiales. En dos de ellos se usaron láminas de Lexan, en otro triacetato de celulosa y también Lexan, así como muestras de cristal, en tanto que en el restante se incluyeron muestras de minerales, plásticos, metales, telas metalizadas.

Detectores de polvo cósmico . Ver detectores de micrometeoritos y polvo cósmico. Utilizados también por las sondas.



Física Unidad 4Detectores de radiación IR y UV . Para la detección de la radiación colindante a la luz visible se dispone de sistemas fotosensibles

(fotoconductores, como el sulfito de plomo, o fotovoltaicos, como los materiales usados en las células solares), que ante la incidencia de la radiación IR varían un voltaje en la misma proporción a ésta. También se pueden utilizar células de gas en el que se detecta un aumento calculado de calor y presión por tanto. El uso de uno u otro material va en función de su respuesta las longitudes de onda precisas que se buscan.

Detectores iónicos y de partículas . Son cámaras o sistemas que miden y cuentan el flujo de partículas de determinada según el rango de energía de las mismas buscado. Tales partículas procederán del Sol o el espacio exterior a nuestro Sistema y su estudio sirve para establecer los fenómenos generadores de su origen y las características del cuerpo emisor. Ver: detectores de partículas.

Efecto Doppler . Cualquier emisión o frecuencia se puede ver sometida al efecto Doppler cuando pierde su regularidad o constancia con el mayor o menor distanciamiento respecto al observador. El alejamiento o acercamiento altera la intensidad de la fuente en igual medida, de modo el observador se percata de tal circunstancia. Al acercarse la emisión de la fuente hace que la frecuencia sea mayor y menor al alejarse. Esto tiene aplicación no solo en la astronáutica sino también en la astronomía, donde fue primera. El cálculo sin embargo es un poco complejo. Hay que tener en cuenta también los movimientos de nuestro planeta, según venga la señal de Este u Oeste, pues restará o sumará velocidad, o del satélite o la sonda respecto al cuerpo emisor.

Electrofóresis . Conocida esta técnica desde 1948, en la microgravedad, donde no hay sedimentación, los experimentos de separación molecular según su carga eléctrica se realizan en soluciones conductoras como en tierra con gravedad pero se consigue mayor pureza, logrando separar hasta cientos de veces más cantidad de material que con 1 ges. Tiene su aplicación en la producción de medicamentos, en ingeniería genética, etc. Hay que tener en cuenta que el sometimiento de sustancias aun campo eléctrico genera corrientes de convección que facilitan también la mezcla de las partículas.

Un ejemplo: en el vuelo STS-3 (tripulado) se realizó en la microgravedad un ensayo de separación de células que producen la uroquinasa, enzima del cuerpo humano que disuelve los coágulos sanguíneos, y el resultado fue una producción de superior en 7 veces que en los cultivos celulares no separados. Con este tipo de pruebas se busca la consecución en el espacio de sueros y vacunas que en tierra solo se logran en muy pequeña cantidad.

Espectrómetro de masas . Aparato que sirve para establecer la relación de carga y la masa de una sustancia mediante el análisis de una muestra de la misma, fluido o sólido. Con los espectrómetros de masas se puede determinar o identificar la composición de una atmósfera y la abundancia relativa de sus elementos. Llevan un receptáculo de muestras, que ha de estar lo más vacío posible y donde las mismas son sometidas a un bombardeo electrónico; la muestra entra en tal lugar al estar en vacío o, si es sólido, disponer un vaporizador complementario sobre la misma. Luego, el bombardeo con iones, por ejemplo, procedente de un hilo de wolframio, de una potencia calculada, produce a su vez otros iones que se aceleran y estudian selectivamente en un campo magnético con un colector y registrador con lo que se determinan las características identificativas de la muestra. Por esta razón es preciso conocer previamente la tabla de correspondencias de los espectros posibles de la materia.

Ver espectroscopia. Utilizados también por las sondas.



Física Unidad 4Espectrómetro de radiación gamma . Ver espectroscopia y su cita en sondas. Utilizados también por las sondas.

Espectrómetros (en general) y espectrógrafos . Ver espectroscopia y su cita en sondas. Utilizados también por las sondas.

Espectroscopia . En el estudio, interpretación y medición de la emisión ETM de las bandas espectrales se utilizan los espectrómetros y espectrógrafos, detectores correspondientes a tales líneas y partículas para la identificación de las fuentes; hay que recordar que las moléculas absorben energía y también la emiten en precisas y particulares líneas del espectro que son conocidas por la química de nuestro mundo. Originalmente se aplicó solo al estudio de las bandas de la luz visible, pero por extensión se puede aplicar a todo el espectro ETM. Los mensajes distintos significan la información de las fuentes, diciéndonos su temperatura, composición, velocidad, etc. Cuando en un espectro alguna o algunas líneas aparecen oscuras significa que fueron absorbidas, generalmente por el propio ente emisor, y se habla entonces de “líneas oscuras” del espectro de absorción, al contrario de las líneas de color o nitidez intensa que definen la llegada de la radiación; una energía concreta, una longitud de onda determinada, es emitida por un elemento y absorbida por el mismo bajo concreta condición. Esto significa que algún ente, bien el emisor u otro interpuesto, generalmente un gas o fluido (una atmósfera, un gas interestelar, como ejemplos), la absorbió pudiendo así también quedar éste identificado si se conoce la fuente emisora original.

La luz normal, blanca, llegada a nuestros ojos es un conjunto de frecuencias aglutinadas que pasadas por un prisma de cristal quedan separadas en todos los colores; un color determinado de un objeto es aquél que es reflejado por éste, en tanto que absorbe todos los demás. El color blanquecino de un suelo identifica al mismo, por ejemplo, como calizo en tanto que el gris oscuro lo señala como silicio.

Por extensión, mediante otros sistemas, más complejos, otras líneas del espectro ETM también son detectadas e identificadas. La fotografía en la banda visible se puede ampliar y convertir desde longitudes de onda u otras frecuencias, dando igualmente la información necesaria del origen o el medio atravesado. La conversión hacia medidas que podemos identificar es lo mismo que hace un aparato de radio, que de una frecuencia de radio la transforma en la audible o visual, y así ocurre con cámaras de imágenes. Se pueden utilizar para captar imágenes en UV o IR película especialmente sensible con cámaras corrientes de fotografía. En el caso UV también se pueden usar, para acelerar el proceso, sistemas ópticos que emiten electrones proporcionalmente a la intensidad de la radiación UV y se recogen luego en película fotográfica.

La absorción de nuestra atmósfera de muchas de las frecuencias llegadas del exterior es precisamente uno de los principales motivos que han impulsado la astronáutica, la salida fuera de nuestro planeta. Las frecuencias que pasan, que no son absorbidas, se dice que son “ventanas”. Otras resultan distorsionadas, produciendo los llamados ruidos de fondo o interferencias (RFI).

En esta ciencia se basa casi exclusivamente la astronomía y las ciencias de investigación y aplicación de la astronáutica.

Uno de los aparatos de mayor utilidad en este campo es el espectrómetro de masas, creado hacia 1919 por el inglés Francis Aston en Cambridge. Se trata, en síntesis pues hay numerosos modelos, de un sistema que determina a nivel atómico y molecular las masas con gran precisión en base a la ionización producida sobre las mismas, de forma natural o provocada con calentamiento (por ejemplo a 1.500ºC). Un detector recoge los iones liberados y dirigidos en un campo electromagnético, es decir separados según su carga, los identifica en su velocidad y cuenta su masa atómica.



Física Unidad 4Fluidos. Experimentos con los mismos en microgravedad. Los experimentos en microgravedad con fluidos son variados pero suelen ser

comparados con los fenómenos de convección terrestre. Este último efecto es relativo a la influencia de la gravedad en masas de fluidos de distinta temperatura, presión y composición, que establece el ascenso de unos y el descenso de otros. Las partes más calientes y de menor densidad tienden a ascender, para luego enfriar y volver a bajar creando corrientes o flujos; este fenómeno, en todo o en parte, ocurre en la atmósfera, en las mezclas de fluidos, en aleaciones, etc. En la microgravedad no hay pues sedimentación y la convección no se produce (ni tampoco el flotar de elementos menos pesados) y da lugar a estudios de las características puras de los elementos, compuestos o materiales empleados, con una estructura molecular homogénea. En la repetida condición, las gotas líquidas hacen esferas perfectas al actuar sobre ellas solo la adhesión y cohesión. La última es producida por las moléculas y causa una tensión superficial. La adhesión, por su parte, es la atracción de dos sustancias distintas al contacto. Si la adhesión de un líquido es mayor que la cohesión el mismo penetra en la otra sustancia o la cubre con una fina y uniforme película. En la microgravedad en un recipiente abierto, por ejemplo, los líquidos se van por las paredes y se salen del mismo. Forman una masa esférica que prácticamente no precisa recipiente, pudiendo ser manejados con fuerzas electrostáticas o electromagnéticas, e incluso acústicas. En el caso de cultivos celulares, éstos se pegan a las paredes de los recipientes con lo que aumentan su rendimiento por capa por unidad de volumen.

Sin la gravedad, los fenómenos que influyen en la distribución de las masas son la difusión y segregación, también presentes bajo gravedad pero ahora sin su influencia. Así, en los ensayos en el espacio con fluidos, aleaciones fundidas, y materiales en general, se pueden estudiar las solidificaciones, crecimiento de cristales y otros fenómenos con todo tipo de materiales. Entre las cuestiones en las que estos fenómenos tienen interés por su aplicación se cuentan en la eficiencia de los sistemas de refrigeración, tanto en el espacio como en la tierra, en los sistemas generadores de energía eléctrica en la microgravedad, etc. El fenómeno del hervido en la microgravedad es también distinto, pues las zonas más cercanas a la fuente de calor aumentan la temperatura más rápidamente formando una burbuja caliente muy grande (que no se mueve hacia ninguna superficie como bajo gravedad) que oscila dentro de toda la masa de fluido, tendiendo la misma a ir bien hacia el centro de toda la masa de fluido o bien hacia el lado de la fuente de calor; en este último caso, aumenta la temperatura del calentador y no deja hervir al resto.

Fotografías . Utilizados también por las sondas. Ver al final el apartado de tal título.

Fotómetros. Instrumental para medir la intensidad de una luz por medios ópticos. Utilizados también por las sondas.

Fotopolarímetro. Instrumento óptico para medir las características de un cuerpo en función de la luz polarizada que se refleja en él. Suele disponer de un sistema telescópico, filtros de polarización y detectores ópticos. Con el mismo se establece la composición y estructura del cuerpo que se observa, revelando por ejemplo la composición atmosférica, materia en suspensión en la misma, etc. Utilizados también por las sondas.

Láser . El láser es utilizado también como sistema de medición de distancias de componentes atmosféricos a modo de radar, dado que muchas moléculas aéreas, polvo en suspensión y aerosoles, reflejan la luz, deduciendo de ello las correspondientes concentraciones y estratos. Tiene su aplicación en estudios de la polución atmosférica, dirección y velocidad de vientos, etc.



Física Unidad 4Magnetómetros, medidores o detectores de campos magnéticos. Son aparatos para medir campos magnéticos (terrestre, lunar,

espacio interplanetario, etc.). Consiste el tipo de aparato en sensores, que suelen ir colocados en extremos o brazos del satélite para evitar interferencia de los propios aparatos del mismo. Utilizados también por las sondas.

Materiales diversos para tecnología . Además de las ya citadas en crecimiento de cristales, fluidos, etc., las posibilidades de la microgravedad también existen en otros campos como la metalurgia y la solidificación de materiales compuestos varios. Aquí se pueden mezclar metales que por su densidad en tierra no se pueden unir o resultan imperfectos (aluminio con plomo o con indio, por ejemplo). El número de metales que así se pueden mezclar es grande, con combinaciones de dos o más compuestos. La búsqueda de nuevos metales se enfoca aquí hacia los más ligeros, a la vez que resistentes, y los porosos con inyección de gas en el metal fundido. Se les denomina en este caso espumas metálicas y se pueden usar en los ensayos acero y aluminio principalmente, que resultan muy ligeros pero de gran resistencia estructural.

Otro campo tecnológico espacial son los imanes de alto poder magnético y permanentes mediante la solidificación direccional que produce una estructura molecular uniforme y paralela al grado de temperatura. Los imanes logrados en el espacio resultan coercitivamente más del doble de los conseguidos en tierra con igual material magnético.

Igual técnica con mezclas de materiales de punto de fusión más bajo que por separado, como el cloruro de sodio y el fluoruro de sodio, por ejemplo, dan lugar a solidificación en barras paralelas de fluoruro en una matriz de cloruro de sodio; resultan transparentes y conductoras de luz con importancia por consecuencia en el campo de las fibras ópticas.

Medidores del campo eléctrico . Son sistemas que miden los campos eléctricos de un medio generalmente basándose en la diferencia de potencial adquirido por un par de esferas conductoras separadas adecuadamente en el satélite pero expuestas lógicamente al medio objeto de estudio en este aspecto.

Nefelómetro. Instrumento usado para el estudio óptico de la atmósfera y los aerosoles que contenga en suspensión. Se basa en la medición de la luz difusa que resulta de la emisión de un haz luminoso sobre la zona observada. Utilizados también por las sondas.

Radares. Radar de apertura sintética. SAR . Cualquier sistema de radar se basa en la emisión de ondas, o microondas, que rebotan en un cuerpo y son reflejadas, vuelven de nuevo, hacia el emisor (cuya posición es precisa y conocida), dando en respuesta una serie de señales que nos definen el lugar del “rebote”. Las antenas del emisor captan las ondas reflejadas y las pasan al sistema procesador que identifica las mismas. Tiene la gran ventaja que actúa en presencia de nubes, atravesándolas sin problemas (con las correcciones posteriores correspondientes derivadas de la absorción atmosférica, tal como la del vapor de agua y otros factores), y de noche, en la oscuridad, así como “ver” debajo de arenas y otros entes de la superficie terrestre; la posibilidad de actuar sobre nubes ha permitido observar el, de otro modo, impenetrable Venus.

El sistema SAR, o INSAR, es un sistema de radar de apuntado lateral basado en técnicas de interferometría con lo que se logra fotografía tridimensional de gran resolución con un par de imágenes y gracias a una antena relativamente pequeña. De tal modo se pueden captar objetos bajo vegetación u otros medios normalmente opacos, confeccionar mapas topográficos tridimensionales (por ejemplo, de 40 por 40 m de resolución por píxel y 10 m en altura), etc. El sistema, desarrollado inicialmente para ser empleado desde el



Física Unidad 4espacio, es posible utilizarlo también desde aeronaves. Con estos sistemas se han podido localizar restos arqueológicos. Es utilizado tanto por satélites como por sondas interplanetarias.

Un aspecto especialmente interesante de los sistemas de radar de microondas combinados con sistemas láser es el trazado de mapas atmosféricos, dirección de vientos y su comportamiento. Se basan en los pulsos láser reflejados por los aerosoles en suspensión en el aire a modo de radar Doppler, y con el radar tradicional en el caso de gotas de agua y hielo (nieve o granizo) en la atmósfera. Es decir, se utiliza una técnica combinada de distintas frecuencias según el objetivo a determinar. Los mapas conseguidos son importantes no solo en meteorología sino también en seguridad aérea.

Radio ciencia. Son estudios sobre la relación entre las anomalías gravitatorias y las señales de radio del objeto en órbita. La distorsión de las señales puede también identificar el medio que las mismas atraviesan (la atmósfera, por ejemplo). Ver sistemas de medición gravimétrica. Utilizados también por las sondas.

Radioastronomía . Instrumental para captar las emisiones de radio de algunos cuerpos celestes, consistente en antenas, receptores y electrónica.

Radiómetros. Instrumentos basados en el telescopio de investigación de emisiones de un cuerpo celeste a fin de averiguar su grado de absorción y emisión en bandas visibles, térmicas y del vapor de agua; de otro modo, se dice que miden la intensidad de una radiación ETM determinada. Con el mismo se determinan las estructuras y temperaturas de la atmósfera y sus nubes, siendo fundamentales en meteorología, pero también sirven para análisis de corrientes marinas, hielos, temperaturas de aguas, vapor de agua, tormentas, vientos en la superficie del agua, salinidad, etc. Utilizados también por las sondas, son dispositivos electro-ópticos y telescópicos de actuación múltiple y simultanea.

Reflectores de rayos láser. Son grupos de espejos dispuestos estratégicamente (en una superficie lunar, planetaria, o en un satélite en órbita) para recibir rayos láser desde otro punto y determinar distancias muy precisas mediante el análisis de las señales rebotadas. Utilizados también por las sondas. Si emitimos una señal láser desde tierra hacia un satélite en órbita baja, en tanto que la señal llega y retorna a tierra, el satélite recorre unos 40 m; es un dato a tener presente.

Sensores (en general). Hay muchos tipos de sensores. Se podrían clasificar sensores de radiación o energía (ver detectores) o sensores de contacto material (tal como los detectores de polvo cósmico). Utilizados también por las sondas.

Sensores térmicos . Son sencillamente sistemas termométricos conectados al telemétrico para el envío de las temperaturas de un medio. Pueden ser aparatos con toma directa o por medición a distancia. Utilizados también por las sondas. Ver detectores de radiación IR.

Sistemas gravimétricos . En el sobrevuelo de la propia Tierra, o un cuerpo celeste, se producen a veces alteraciones de la trayectoria por la acción gravitatoria cuando se pasa por encima de masas de materiales del suelo o subsuelo más pesados que el resto. Estas alteraciones orbitales son medidas con precisión en las correspondientes modificaciones de las señales radioeléctricas recibidas (ver radio ciencia), de tal forma que se puede establecer una medición de gravimetría y, conocido el lugar sobrevolado, determinar su valor en el mismo. Utilizados también por las sondas.



Física Unidad 4Teledetección . Es la detección a distancia de cualquier emisión ETM, propia o reflejada, de un objeto con diversos aparatos, cámaras,

etc., del modo especificado de en otros apartados (Espectroscopia, Fotografías, etc.). La posición espacial es particularmente resolutiva para observar así zonas de la superficie o subsuelo terrestre de acceso difícil o imposible por otros medios.

Telescopios . Basados en los correspondientes aparatos ópticos terrestres del tipo astronómico, se utilizan aquí con cámaras en los objetivos para registrar las imágenes. Han evolucionado hacia complejos instrumentales gracias a la electrónica y la informática y las fotografías tomadas, en diversas bandas del espectro ETM, en todas las posibles, libres en el espacio del filtro atmosférico, son transmitidas a la Tierra telemétricamente. Su importancia ha resultado ser enorme; baste pensar en el satélite Hubble y sus descubrimientos.

Los materiales y técnicas concretas para construir cualquier instrumental o aparatos para su uso en el espacio son similares a los terrestres, con la condición de adaptabilidad a las duras condiciones espaciales. A veces los materiales tienen que ser por ello sustituidos, según necesidades de resistencia, térmica, etc. Por ejemplo, en los detectores de IR se puede utilizar material sensible a tal radiación, como el sulfuro de plomo a muy baja temperatura.

Ejemplos esquematizados básicos del fundamento de investigación o modos de detección a distancia de algunos compuestos:

Elemento o compuesto a detectar Fórmula Detección (s.e.u.o.) en los:

Ácido cianhídrico HCN 3,38 mm

Ácido fórmico HCOOH 18,3 cm

Ácido sulfhídrico H2S 1,78 mm

Agua H2O 1,35 cm

Alcohol etílico C2H5OH 2,8 y 3,3 mm

Alcohol metílico CH3OH 36 cm y 3 mm

Amoníaco NH3 Radioondas 1,26 cm

Anhídrido carbónico CO2 Banda de las 15 micras

Calcio Ca 3.934 Åy 3.968 Å

Cianodiacetileno HC4CN 2,8 y 11,28 mm



Física Unidad 4

Cianoetinilo C2CNK 3,03 y 3,37 mm

Cianógeno CN 3.875 Å

Cianuro de etilo CH3CH2CN 2,58 y 3,06 mm

Cianuro de hidrógeno HCN IR y radioondas

Cianuro de metilo CH3CN 2,72 mm

Cloruro sódico, sal común Cl Na 143 y 234 GHz

Dióxido de azufre SO2 3,46 y 3,58 mm

Etinilo C2 H 3,43 mm

Formaldehído H2CO 6,2 cm

Formilo HCO 3,46 mm

Hidrógeno neutro H2 Banda de los 21,12 cm

Hidruro de nitrosilo HNO 3,68 mm

Keteno CH2CO 2,94, 3 y 3,67 mm

Metilamina CH3NH2 3,48 mm

Metilcianoacetileno CH3C2CN 3,46 mm

Monóxido de carbono CO Banda de los 2,6 mm

Monóxido de nitrógeno NO 1,99 mm

Neón Ne 12,8 micras

Nitruro de azufre SN 2,6 mm

Óxido de azufre SO 3,49 mm



Física Unidad 4

Óxido de silicio SiO 2,3 mm

Ozono O3 Banda de las 6 micras

Potasio K 7.585 Å

Radical hidroxilo OH Banda de los 18 cm

Sodio Na 5.890 Åy 5.896 Å

Sulfuro de carbono SC 2,04 mm

Sulfuro de silicio Si S 2,75 y 3,3 mm

Las limitaciones de cualquier aparato, carga o sistema, enviado al espacio, aparte del problema del peso, se encuentra en su posible peligrosidad o actuación que interfiera a otros medios o cargas. Son limitaciones para no permitir explosiones, incendios, corrosiones, inundaciones o derrames de líquidos o materiales menudos que puedan introducirse en la microgravedad fácilmente en rendijas, etc.

También hay que tener presente en relación a los experimentos sobre microgravedad que, la misma no está en el espacio en sí mismo, en la altura determinada, donde en realidad la gravedad terrestre existe aun con una fuerza de atracción –por así decir- del 90% por ejemplo en los 300 Km de altura. La microgravedad surge del equilibrio de tal gravedad con el impulso dado (la fuerza centrífuga) con el cohete. Eso significa que cualquier fuerza actuante sobre el satélite (por ejemplo un encendido de motores) puede romper en tal momento la precisión continuada de la microgravedad y producir microalteraciones en los ensayos. Así se puede observar que en un crecimiento de cristales puede a veces aparecer una línea de ruptura de la homogeneidad que caracteriza la aparente ausencia de gravedad.

Finalmente hay que resaltar que la comparación de los experimentos espaciales con los paralelos repetidos en la Tierra, cuando es posible, da lugar a la determinación de las diferencias y por ende de resultados fiables.

Paneles solares. Están formados por miles de células solares o fotovoltaicas interconectadas en una red cableada; tal célula fue creada en 1930. Su disposición típica en el satélite es en paneles, que al lanzamiento viajan plegados, pero también pueden ir adheridas sobre las paredes planas o curvas del ingenio. Los paneles pueden estar a su vez divididos en otros o sumados a otros, generalmente plegables o articulados. Las células son de silicio cristalino (con algo de fósforo y arsénico) y más tarde de arseniuro de galio, material



Física Unidad 4fotovoltaico que transforma la luz que llega del Sol en electricidad al liberar, en las mismas, electrones; la incidencia del fotón absorbido al adquirir el átomo energía libera un electrón (ionización). Los dos factores pues que determinan la mayor o menor eficacia del sistema son el material a utilizar y la energía llegada, con el correspondiente grado angular de incidencia óptimo. Esta energía puede ser utilizada directamente (electrónica de estabilización por medio) o almacenada en pilas o baterías para su uso cuando el satélite no está iluminado por el Sol (sobrevolando la noche terrestre). El rendimiento estudiando de antemano de las células solares se mide en sus parámetros de corriente-tensión y en la respuesta espectral, comprobándolas ante las distintas longitudes de onda del espectro visible y limítrofe.

Con el tiempo, las células fotovoltaicas se van degradando o deteriorando (algunas, en cuestión de días pueden bajar en efectividad hasta en 1/5 parte), pero resulta uno de los mejores sistemas de abastecimiento para satélites. Además del silicio y el arseniuro de galio, también pueden servir otros materiales como el teluro y el sulfuro de cadmio, y el fosfuro de indio. Con una célula de silicio de 6 cm de diámetro se pueden producir en el espacio (a la altura de la Tierra) una corriente de 1 amperio y 0,25 voltios. En órbita terrestre, el aporte de la energía solar por m^2 viene a ser de 1.353 vatios constantes. La orientación plana en dirección a la luz, es decir la incidencia vertical de la misma, como se dice, determina su máximo rendimiento, así que la llegada inclinada lo reduce en igual proporción al ángulo de incidencia. La mayor lejanía del Sol, la intensidad disminuida, también reduce el rendimiento.

En los años 70 el rendimiento de las células oscilaba entre el 7 y el 10 %. En la segunda mitad de los 90 el rendimiento de las de silicio es del 12 %, o 15 % en el mejor de los casos, significando que convierten tal cifra en energía de un total sobre 100 de la llegada del Sol en nuestro nivel de distancia, bajando en proporción a la mayor distancia. Con las de arseniuro de galio el rendimiento era de 21,3 %. Pero la introducción de las llamadas células de separación multibanda, que aprovecha más frecuencias del espectro ETM, aumentó el rendimiento a casi el 30 %. En el futuro es de esperar que siga aumentando tal cifra. Con el tiempo, por ejemplo, al cabo de 10 años en el espacio las células de silicio pierden el 50 % de su efectividad. A principios del Siglo XXI las investigaciones son esperanzadoras con materiales como el silicio amorfo hidrogenado y otros mixtos.

En 2003 la empresa americana Spectrolab anunciaba las células de una eficacia conversora del 36,9% de la energía solar recibida en las mismas mediante un sistema de concentración óptica y se esperaba llegar pronto a un 40%.

Para vuelos de sondas al espacio lejano, la ESA encargó a las empresas DASA, Cise y AsGa, baterías solares de silicio de alto rendimiento, de un 25 % en tal situación. La ESA no disponía a principios de los 90 de tecnología para el uso alternativo de generadores radioisotópicos, de modo que el uso de paneles de alto rendimiento fue la solución. Tales, no son sin embargo útiles en distancias mayores, en la lejanía de los planetas exteriores y allí sigue siendo preciso el uso de tales generadores de energía atómica. Aproximadamente 10 m^2 de células a la altura de la Tierra en el espacio producen unos 1.000 vatios, pero a la distancia de la órbita de Júpiter para producir lo mismo se necesitan más de los 50 m^2. Por ello, a principios del Siglo XXI el límite razonable en el uso de paneles se sitúa en órbitas entre Marte y el cinturón de asteroides. Para entonces la única sonda que había viajado con paneles por esta zona fue la Stardust, hasta 2,72 UA (2002).

FOTOGRAFÍAS. IMÁGENES DESDE EL ESPACIO.



Física Unidad 4En general, el sistema de toma de imágenes desde el espacio de un satélite o sonda espacial automática consta de un sistema óptico con lentes diversas, por ejemplo gran angular y teleobjetivos, un control de disparo que decide la toma y el momento, un sistema conversor en señales eléctricas, cámaras de CCD, un sistema de almacenamiento de las imágenes (no imprescindible pero habitual) generalmente magnético, y un sistema transmisor que puede ser el general telemétrico. De otro modo, una cámara fotográfica con varias partes adaptadas al espacio y un sistema de conversión de la imagen para su transmisión adecuada en señales de radio. Con la natural evolución tecnológica de este tipo de instrumental se dio lugar un gran número de cámaras y tipos de imagen según frecuencias, aumentando notablemente las resoluciones en la imagen final. Las posibilidades informáticas en este campo han abierto un gran abanico de posibilidades.

El sistema de control, por lo general previamente programado al efecto, decide que objetivo utilizar según la resolución deseada y también el tipo de fotografía, si es en la banda visible normal, o utiliza filtros o sistemas para seleccionar un frecuencia específica del espectro (IR, UV, etc.). Cuando las frecuencias utilizadas están fuera de las visibles y sus contornos, las cámaras o detectores usados pasan a denominarse de otra forma. Son generalmente los espectrómetros. Cuando se prevé la utilización de tomas en banda visible hay que tener presente que a veces pueden no obtenerse buenas imágenes debido a nubes o nieblas. Por eso, las imágenes de radar sirven para superar tales obstáculos. Cuando se necesita ver las zonas con caracteres térmicos se emplea la banda IR; etc. Para determinados objetivos, como por ejemplo la observación de la corona solar, el instrumental puede incorporar el llamado coronógrafo, que actúa de forma que oculta el disco solar y deja ver su contorno.

También se pueden hacer tomas con película normal fotográfica que es luego traída a tierra o revelada a bordo y trasladada a otro sistema antes de su envío a tierra; el modo de devolver la película al suelo terrestre es en una cápsula que desciende tras la reentrada por la atmósfera y es recuperada bien por algún avión en vuelo o tras el amerizaje o aterrizaje. La resolución depende de la potencia de los teleobjetivos pero también de la distancia del satélite o ingenio de que se trate al área fotografiada; lógicamente a mayor altura menor resolución. Con el giro de las cámaras o de espejos se pueden obtener tomas panorámicas.

Uno de los primeros sistemas de TV utilizado en el espacio americano, especialmente por las sondas interplanetarias, fue el Vidicon, en el que la imagen se formaba en una cámara con un sistema que según la mayor o menor luz hace cambiar la intensidad de un haz de electrones, convertibles a su vez en valores numéricos.

El envío de fotografías se realiza punto a punto, en codificación digitalizada de la tonalidad, si bien existen varias formas, distintas en el tiempo. Las imágenes de TV son transmitidas punto a punto, línea a línea. Los puntos o elementos de la imagen son denominados pixels. La obtención de fotografías en color se realiza con 3 tomas por cada punto con un filtro, una en cada color azul, rojo y verde; luego se superponen para obtener la definitiva que es retocada con los sistemas correctores oportunos, ya en tierra. En estos casos es importante calibrar bien los colores para su correcta reconstrucción y para ello se contrastan con colores de referencia ya conocida llevados en alguna tira o disco en la propia sonda al alcance de las cámaras.

Antes de enviar los datos, y para garantizar su llegada completa y correcta, es decir, que no haya fallos o interferencias (ruido de fondo, parásitos), se realiza con un par de repeticiones de comprobación de los dígitos, de cada bit; luego, los datos, en lenguaje binario codificado (ceros y unos, 0 y 1, o bits), son comprimidos para mayor rapidez en el envío y se procede a la transmisión. Cuando en la



Física Unidad 4recepción, en vez de recibir los correctos 3 ceros o 3 unos seguidos, alguno de ellos difiere, la elección del bueno se hace sobre los otros 2 iguales, como opción más probable de veracidad. La velocidad de envío y recepción de datos depende de cada caso, pero como ejemplo se puede apuntar que los Voyager enviaban a las antenas terrestres de 64 m de diámetro entre 14,4 y 29,9 KB/seg.

Una fotografía por ejemplo de la sonda Voyager constaba de 800 líneas cada una de 800 puntos, con lo que el total de píxeles básicos era de 640.000. A su vez, cada píxel tenía 256 posibilidades de tonalidad o brillo entre el blanco y el negro y se expresaba con 8 bits más por lo que, sin contar las repeticiones de seguridad, el total de bits de una fotografía ascendía ya a 5.120.000. Pero el procedimiento de comprensión puede reducirlos luego.

A los sistemas de imágenes se les incorpora con el tiempo los CCD, dispositivos de carga acoplada, que permiten potenciar la toma, aumentando por ejemplo la luz más débil. Este tipo de dispositivo está constituido por células fotosensibles compuestas por unos electrodos sobre los que va un aislante y una capa de cristal de silicio. El proceso del aparato consiste en la aparición de una muy leve carga eléctrica generada por la luz al llegar sobre cada célula que es luego sumada al resto de ellas con lo que se puede luego reconstruir la imagen potenciada amplificándola.

El tratamiento de imágenes en tierra no solo comprenden las recomposiciones digitales y de color, sino también la geometría distorsionada por los ángulos de la toma, de modo que se puede “verticalizar” la vista final con estiramientos, etc. Naturalmente también se hacen fotocomposiciones y mosaicos, corrigiendo las tonalidades para encajar los bordes, retoques de luminosidad, nitidez, etc. Entre los tratamientos posibles se menciona el de las imágenes en “falso color”, que es el color irreal que resalta parcialmente algunas longitudes de onda; es decir, son imágenes tomadas con un filtro determinado y cuya suma de la misma toma con otros filtros puede permitir recomponer el color real o resaltar un particular aspecto en una o varias bandas. El tratamiento informático es aquí el medio de lograr el resultado final en mezclas y correcciones.

El uso de tomas con filtros, prescindiendo de las recomposiciones, de uso de determinadas longitud de onda, nos da imágenes exclusivas en distintas partes del espectro ETM de enorme trascendencia. Otros sistemas de imágenes nos lo dan los sistemas de radar, que se citan aparte. Tales fotografías permiten identificar suelos con peculiaridades no observables en la banda visible normal. Pueden captarse detalles sobre el tipo de terreno, las características ocultas de la vegetación, antiguas formaciones naturales (antiguos volcanes, etc.) o humanas (restos arqueológicos), etc., etc. Todo ello con la ventaja expresada en la correspondiente contrapartida económica que casi siempre ello supone.

De suma importancia, se puede establecer un diagnóstico sobre el suelo y subsuelo terrestre, de modo que en agricultura, por ejemplo, se conocen así las condiciones de los cultivos con las tomas en bandas tanto visibles como IR. Las hojas de los vegetales muestras sus células sanas y vigorosas cuando dispersan en toda dirección la radiación; aparecen así en color rojo en el llamado falso color. Pero cuando no lo están, cuando se comienzan a apagarse, la luz ya no es reflejada igual, de modo que la observación espacial en el IR cercano evidencia tonalidades más oscuras y grises. Entonces las áreas más afectadas se ven en las imágenes y ponen de relieve las anomalías, acusando enfermedades, plagas, deficiencias de minerales en los suelos o falta de agua. Así que, antes de que se detecte por otros medios a gran escala, el agricultor dispone de una información que le permite tomar medidas a tiempo, aportando en los lugares precisos abonos, pesticidas, agua, etc. La identificación también puede llegar a ser tan detallada como para distinguir clase de cosecha,



Física Unidad 4su producción y rendimiento, la sequedad de la tierra y el riesgo de incendio, etc. En los Estados Unidos, con ayuda de los satélites de recursos, estas evaluaciones mejoradas sobre la producción de trigo estiman unos beneficios anuales de más de 200 millones de dólares.

Pero, con los mismos medios de los satélites, los estudios económicos sobre superficies de terreno cultivables de otros países tienen un aspecto político-social-militar. La evaluación de cosechas estratégicas (los cereales, por ejemplo) de naciones antagonistas (como en su momento la URSS, China, los americanos y otros) puede establecer con los medios espaciales una prospectiva de futuro inmediato, de modo que tales previsiones se pueden considerar de verdadera importancia por su trascendencia, como se dice, político-social-militar.

En general, en las imágenes espectrales, a modo de ejemplo, la vegetación sin dañar puede aparecer en color rojo y la dañada en verdiazul, las piedras en color pardusco, la tierra resulta de color grisáceo, el agua marina puede resultar azul o negra (depende), y un casco urbano azul o rosa grisáceos. No obstante se recalca que los colores son relativos, según las bandas utilizadas, y solo han de considerarse como ejemplo.

A continuación se señala un ejemplo de cuadro simple de identificación de terrenos y entes de la superficie terrestre según las longitudes de onda de observación (colores) aplicables a muchas de las fotografías en falso color; las cifras son aproximadas y en el IR hay que tener en cuenta que casi todo está fuera de la banda visible.

COLOR Longitud de onda en Å

Ente identificado o información parcial sobre el mismo. Ejemplos:

IR + del 0,72 Vegetación, humedad, temperaturas, suelos o terrenos, minerales.

ROJO 0,63 a 0,71 Plantas, construcciones humanas.

VERDE 0,53 a 0,62 Carreteras, distintos tipos de vegetación.

AZUL 0,45 a 0,52 Aguas, bosques, costas, carreteras, edificios.

En cualquier caso, tanto en las distintas bandas espectrales como en la visible, además de lo indicado, las imágenes espaciales tienen una multitud de otros usos: cartográficos y urbanísticos, militares, geológicos y de yacimientos (recursos naturales, ingenierías diversas, etc.), vulcanológicos, contaminación, etc.

En cuanto a las resoluciones logradas, las máximas son obtenidas por los satélites militares (10 o 15 cm en los años 80), si bien muchos civiles resultan hoy tan competitivos que el estamento militar compra a veces las imágenes de éstos.



Física Unidad 4A modo de ejemplo y en general, podemos hacer un pequeño muestrario de resoluciones necesarias para ver objetos diversos,

teniendo en cuenta la relatividad de los datos, tanto de los metros como de los objetos que se entienden de tipo medio:

Objeto terrestre Resoluciones aproximadas en metros

Captación mínima

Identificación aceptable (entre)

Con detalles analíticos (medida como máximo)

Aeropuerto 6 2-4 0,3

Avión 5 1-2 0,1

Barco 8 1-4 0,1

Camión 1,5 0,3-0,7 0,1

Carretera 8 2-5 0,2

Lanzador de misiles SAM 3 0,3-1 0,1

Misil 1 0,2-0,7 0,1

Puente 6 2-4 1

Puerto de mar 35 5-15 0,4

Radar 3 1 0,2

Submarino (superficie) 25 1-6 0,1

Tropas 6 2 0,3



Física Unidad 4Ver la referencia a las cámaras de imágenes en el apartado “Cámaras de imágenes” (LOS VUELOS NO TRIPULADOS A LA LUNA Y

LOS PLANETAS / ASTRONAVES INTERPLANETARIAS NO TRIPULADAS / NAVES INTERPLANETARIAS AUTOMÁTICAS. SISTEMAS Y APARATOS / APARATOS Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN).

Finalmente podemos añadir que el seguimiento de muchos satélites y la posibilidad de captar imágenes de los mismos en los modelos accesibles del modo estandarizado automático de transmisión de imágenes APT con medios domésticos es relativamente fácil; el sistema APT fue probado con el TIROS 8 meteorológico en 1963 y requirió inicialmente 6 estaciones terrestres que costaron unitariamente unos 32.000$, pudiendo cada una recibir solo 3 fotografías a cada paso del satélite.

Solo basta conocer la órbita del ingenio, tener en cuenta su corto paso por el cielo (de un promedio de 15 min, pero varias veces al día), disponer de una antena múltiple o dirigida (de 8 espiras), un amplificador de la señal, un receptor en bandas de radio, y un ordenador con tarjeta de sonido y programas adecuados (que son de fácil consecución) para decodificar la señal y convertirla en fotografía.

OBJETIVOS

Realizar un proyecto, donde vamos a describir el movimiento de un cuerpo en una órbita alrededor de la tierra utilizando las leyes de Las leyes de Maxwell y los dispositivos electrónicos.

Elaborar el modelo del satélite geoestacionario que se encuentra alrededor de la orbita terrestre, aplicar las tres leyes de Newton y la ley de gravitación universal

Desarrollar un mapa mental, utilizando las leyes de Maxwell y los dispositivos electrónicos, describiendo el movimiento del satélite en órbita alrededor de la tierra, dispositivos mecánicos para el movimiento del satélite.

Dispositivo para el envío de señales electromagnéticas.

Descripción del tipo de antena que servirá para recibir y transmitir señales electromagnéticas.

Dispositivo para recopilar información sobre el tipo de partículas que llegan al satélite.

Dispositivo para almacenar energía eléctrica.

Modelo Teórico



Física Unidad 4El movimiento circular uniforme describe el movimiento de un cuerpo atravesando, con rapidez constante, una trayectoria circular. Aunque la rapidez del objeto es constante, su velocidad no lo es: La velocidad, una magnitud vectorial, tangente a la trayectoria, en cada instante cambia de dirección. Esta circunstancia implica la existencia de una aceleración que, si bien en este caso no varía al módulo de la velocidad, sí varía su dirección.

La ley de la Gravitación Universal es una ley física clásica que describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa, donde establece por primera vez una relación cuantitativa de la fuerza con que se atraen dos objetos con masa. Así, Newton dedujo que la fuerza con que se atraen dos cuerpos de diferente masa únicamente depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa. También se observa que dicha fuerza actúa de tal forma que es como si toda la masa de cada uno de los cuerpos estuviese concentrada únicamente en su centro, es decir, es como si dichos objetos fuesen únicamente un punto, lo cual permite reducir enormemente la complejidad de las interacciones entre cuerpos complejos.

Así, con todo esto resulta que la ley de la Gravitación Universal predice que la fuerza ejercida entre dos cuerpos de masas y separados una distancia es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, es decir

Dónde:

= es el módulo de la fuerza ejercida entre ambos cuerpos, y su dirección se encuentra en el eje que une ambos cuerpos.

= es la constante de la fuerza de gravedad.

Es decir, cuanto más grandes sean los cuerpos y más cercanos se encuentren, con mayor fuerza se atraerán. El valor de esta constante de Gravitación Universal no pudo ser establecido por Newton, que únicamente dedujo la forma de la interacción gravitatoria, pero no tenía



Física Unidad 4suficientes datos como para establecer cuantitativamente su valor. Únicamente dedujo que su valor debería ser muy pequeño. Sólo mucho tiempo después se desarrollaron las técnicas necesarias para calcular su valor, y aún hoy es una de las constantes universales conocidas con menor precisión. En 1798 se hizo el primer intento de medición y en la actualidad, con técnicas mucho más precisas se ha llegado a estos resultados:

Newton llamó inercia a la propiedad de una partícula que le permite mantenerse en un constante estado de movimiento o de reposo

Primera Ley de Newton: Un cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa no equilibrada actúe sobre él

Demostró que hay una relación directa entre la fuerza aplicada y la aceleración resultante, probó que la aceleración disminuye proporcionalmente con la inercia o masa (m) del objeto, como se indica a continuación:

Segunda Ley de Newton: La aceleración a de un objeto en la dirección de una fuerza resultante (F) es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa (m).

a= Fm

o F= ma

Siempre que dos cuerpos interactúan la fuerza ejercida por el segundo sobre el primero (la fuerza de reacción) es igual en magnitud pero de sentido contrario, a la dirección de la fuerza ejercida por el primer cuerpo sobre el segundo (la fuerza de acción).

Tercera Ley de Newton: Para cada fuerza de acción debe haber una fuerza de reacción igual y opuesta.Por tanto, no puede existir una sola fuerza aislada.

La tierra y los planetas siguen órbitas casi circulares alrededor del sol. Newton, sugirió que la fuerza hacia el centro que mantiene el movimiento planetario es tan sólo un ejemplo de la fuerza universal llamada gravitación, la cual actúa sobre todas las masas del universo.

Ahora se presenta el modelo del satélite geoestacionario que se encuentra alrededor de la orbita terrestre en un lapso de tres días.



Física Unidad 4

Para el modelo se obtienen los parámetros de:

Masa del satélite (m)= 1 Kg

Constante de la Gravitación Universal G: 6.67E-11 Nm2/Kg2

Masa de la tierra aproximada Mt= 5.97360E24 Kg.

Radio Geoestacionario (r)= 4.2146E7 metros.

Velocidad Angular= 4.17 rad/seg.

Aplicación de la Ley de la Gravitación Universal establecida por Newton:

fr (fuerza de rotación)= Fuerza que ejerce la gravedad sobre el satélite= FG= -GMt∗mr2



Física Unidad 4Primera Ley de Newton: Esta no aplica debido a que es una partícula en movimiento, la ley de la inercia es más que nada referente a sistemas estáticos en equilibrio, donde las sumas de fuerzas en las componentes de “x” y “y”.

F⃗=∑ F⃗x+ F⃗y=0

Segunda Ley de Newton: Expresa la relación de un cuerpo su masa con el cambio de velocidad en un instante de tiempo, para este problema aplica en ambos componentes, pero daremos una sola

tabla con la magnitud de la aceleración, pero se presentan las ecuaciones de fuerza en las 2 componentes:

Fx=ma Fy=mg

La tercera ley de Newton: “a toda acción corresponde una reacción”, en el modelo para poner en orbita un satélite, antes que nada tenemos que usar un medio de transporte para colocarlo en orbita en un Cohete, necesitamos vencer la fuerza de gravedad; es decir entre más avanzamos hacia el espacio disminuye. Es decir si tenemos un cohete como el “apolo”, estamos hablando de un peso de = 4170 Kg, para vencer esa fuerza necesitamos 974.000 litros de combustible y una velocidad de salida de 2,38 km/s. Entre más el cohete se aleje de la superficie, el valor de la fuerza de gravedad disminuiría. La fuerza que provoca una acción al satélite es la atracción gravitacional de la tierra sobre el satélite.



Física Unidad 4

Datos proporcionados del modelo, en el cual se presentan en un lapso de 72 hrs.

Satélitet (hr) x (m) y (m) v (m/hr) a (m/hr2)

- 42,146,000.00 -3,600.00 40,700,147.15 10,941,969.85 3,039.487,200.00 36,461,661.98 21,133,146.26 3,039.62 0.22

10,800.00 29,721,029.32 29,874,053.53 3,039.84 0.2214,400.00 20,940,382.86 36,564,397.25 3,040.12 0.2218,000.00 10,722,020.64 40,744,237.78 3,040.45 0.22

21,600.00 - 232,710.14 42,125,663.90 3,040.81 0.2225,200.00 - 11,171,405.94 40,612,770.84 3,041.16 0.2228,800.00 - 21,342,232.52 36,308,517.43 3,041.49 0.2232,400.00 - 30,045,655.18 29,507,918.77 3,041.77 0.2236,000.00 - 36,682,699.74 20,677,970.07 3,041.99 0.2239,600.00 - 40,796,374.63 10,425,628.64 3,042.12 0.2243,200.00 - 42,103,335.63 - 543,964.60 3,042.16 0.2246,800.00 - 40,513,545.29 - 11,476,133.14 3,042.11 0.2250,400.00 - 36,136,524.36 - 21,618,785.54 3,041.97 0.2254,000.00 - 29,273,747.91 - 30,274,354.83 3,041.75 0.22



Física Unidad 457,600.00 - 20,397,730.04 - 36,847,915.91 3,041.46 0.2261,200.00 - 10,119,289.16 - 40,888,123.46 3,041.13 0.2264,800.00 854,684.15 - 42,118,141.01 3,040.77 0.2268,400.00 11,769,983.13 - 40,454,457.99 3,040.42 0.2272,000.00 21,876,964.29 - 36,012,357.49 3,040.09 0.2275,600.00 30,481,969.70 - 29,097,731.60 3,039.81 0.2279,200.00 36,994,781.61 - 20,185,878.24 3,039.60 0.2282,800.00 40,968,904.27 - 9,888,786.18 3,039.47 0.2286,400.00 42,131,978.01 1,086,828.23 3,039.44 0.2290,000.00 40,404,306.82 11,987,872.37 3,039.49 0.2293,600.00 35,904,276.17 22,066,349.64 3,039.64 0.2297,200.00 28,940,304.42 30,630,489.08 3,039.86 0.22

100,800.00 19,989,857.92 37,092,089.96 3,040.15 0.22104,400.00 9,666,916.30 41,006,878.13 3,040.49 0.22108,000.00 - 1,319,949.36 42,105,117.02 3,040.84 0.22111,600.00 - 12,216,076.14 40,310,346.73 3,041.20 0.22115,200.00 - 22,272,503.98 35,744,908.44 3,041.52 0.22118,800.00 - 30,797,522.23 28,721,801.17 3,041.80 0.22122,400.00 - 37,204,402.66 19,723,359.53 3,042.01 0.22126,000.00 - 41,051,983.43 9,368,167.86 3,042.13 0.22129,600.00 - 42,075,241.83 - 1,631,530.85 3,042.16 0.22133,200.00 - 40,203,684.38 - 12,518,980.50 3,042.10 0.22136,800.00 - 35,566,241.36 - 22,545,178.55 3,041.95 0.22140,400.00 - 28,482,315.78 - 31,020,598.66 3,041.72 0.22144,000.00 - 19,439,626.79 - 37,362,744.97 3,041.43 0.22147,600.00 - 9,060,427.33 - 41,136,222.02 3,041.09 0.22151,200.00 1,941,508.96 - 42,082,554.37 3,040.74 0.22154,800.00 12,810,105.99 - 40,137,732.72 3,040.39 0.22158,400.00 22,798,979.01 - 35,436,339.01 3,040.06 0.22162,000.00 31,222,619.53 - 28,302,040.53 3,039.79 0.22165,600.00 37,503,280.69 - 19,225,176.22 3,039.59 0.22169,200.00 41,210,399.59 - 8,829,022.25 3,039.47 0.22172,800.00 42,089,921.36 2,172,933.29 3,039.44 0.22



Física Unidad 4176,400.00 40,081,579.90 13,025,797.69 3,039.50 0.22180,000.00 35,322,994.70 22,984,867.01 3,039.66 0.22183,600.00 28,140,314.21 31,366,534.18 3,039.89 0.22187,200.00 19,026,021.96 37,595,083.47 3,040.18 0.22190,800.00 8,605,372.68 41,242,203.14 3,040.52 0.22194,400.00 - 2,406,309.02 42,056,513.05 3,040.88 0.22198,000.00 - 13,252,603.11 39,981,051.81 3,041.23 0.22201,600.00 - 23,187,923.69 35,157,464.02 3,041.55 0.22205,200.00 - 31,528,847.07 27,916,525.87 3,041.82 0.22208,800.00 - 37,701,284.67 18,755,590.54 3,042.02 0.22212,400.00 - 41,280,200.90 8,304,456.30 3,042.14 0.22216,000.00 - 42,019,073.00 - 2,718,008.44 3,042.16 0.22219,600.00 - 39,866,998.91 - 13,553,474.99 3,042.09 0.22223,200.00 - 34,972,231.62 - 23,456,531.36 3,041.93 0.22226,800.00 - 27,671,887.16 - 31,746,153.07 3,041.70 0.22230,400.00 - 18,468,562.01 - 37,852,662.12 3,041.40 0.22234,000.00 - 7,995,526.47 - 41,356,902.10 3,041.06 0.22237,600.00 3,027,040.17 - 42,018,928.70 3,040.70 0.22241,200.00 13,841,696.72 - 39,794,273.83 3,040.35 0.22244,800.00 23,705,813.56 - 34,836,726.07 3,040.03 0.22248,400.00 31,942,486.30 - 27,487,510.47 3,039.77 0.22252,000.00 37,986,821.24 - 18,251,679.79 3,039.57 0.22255,600.00 41,424,472.64 - 7,763,383.30 3,039.46259,200.00 42,019,858.00 3,257,592.47

Una onda electromagnética es la forma en que se propagan la radiación electromagnética a través del espacio. Sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell.

Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible.



Física Unidad 4Las ondas se dan en un medio invisible llamado campo de fuerza eléctrico, estas partículas cargadas llamadas electrones con carga negativa (-) o protones con carga positiva (+). Sin estas partículas cargadas no podría haber campos de fuerza eléctrica y no habría ondas electromagnéticas.

Esto se debe a que el protón ejerce una fuerza invisible de atracción sobre el electrón, a esta fuerza se le conoce como fuerza eléctrica o fem. Un campo de fuerza representa los efectos que las cargas eléctricas tienen unas sobre otras.

Estas fuerzas crean un campo de fuerza en el espacio vacío a su alrededor. Muchas de estas fuerzas forman lo que se conoce como campos de fuerzas eléctricas. En sí, una onda electromagnética se produce por una variación en un lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. Pueden viajar en el espacio libre y esto nos da muchas posibilidades de usos. Algunos ejemplos de las indas electromagnéticas son la luz, las microondas, los rayos X, entre otras tantas. Cada una de estas tiene distintas longitudes de onda y esto hace que sus características cambien.

La onda tiene los siguientes componentes Longitud de Onda: Distancia entre dos crestas. Amplitud: Es la máxima perturbación de la onda. La mitad de la distancia entre la cresta y el valle. Frecuencia: Número de veces que se repite la onda por unidad de tiempo. Si se usa el Hertzio es el número de veces que se repite la onda por

cada segundo. Periodo: 1/frecuencia. Es la inversa de la frecuencia. Velocidad: la velocidad de la onda depende del medio por el que se propague (por donde viaje). Si la onda viaja por el vació su velocidad es

igual a la de la luz 300.000Km/segundo. Si se propaga por el aire cambia, pero es prácticamente igual a la del vació.

Un circuito es una red eléctrica que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores), y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.

Resistencia

La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un óhmetro.



Física Unidad 4La resistencia de cualquier objeto depende únicamente de su geometría y de su resistividad, por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la temperatura a la cual se encuentra sometido. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la caída de tensión y la corriente en dicha resistencia, así:

donde R es la resistencia en ohms, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.

Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

Capacitor

El condensador almacena carga eléctrica, debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior, cuando aumenta la diferencia de potencial en

sus terminales, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede obtener que la energía , almacenada por un condensador con

capacidad , que es conectado a una diferencia de potencial , viene dada por:

El modelo del circuito RLC simula un resistor R, un capacitor C y un inductor L en serie con una batería y grafica la dependencia del tiempo de caída de voltaje a través de estos elementos. La resistencia R refleja todas las pérdidas de energía en el circuito. La ecuación diferencial para la carga en el capacito Q se encuentra aplicando la regla de la malla de Kirchhoff.

Como se resuelve un modelo dinámico, se observan cambios cuando la simulación se corre y el voltaje de la batería cambia.

En la actualidad, la mayoría de los instrumentos que utilizamos son electrónicos, esto quiere decir que su composición está basada en algún tipo de circuito. Los circuitos RLC son generalmente utilizados para realizar filtros de frecuencias, o de transformadores de impedancia. Estos circuitos pueden entonces comportar múltiples inductancias y condensadores: se habla entonces de "red LC".

Un circuito LC simple es denominado de segundo orden porque su función de transferencia comporta un polinomio de segundo grado en el denominador.


http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_LC

http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Inductancia


Física Unidad 4La presencia de la inductancia y capacitancia en un mismo circuito, conlleva a desarrollar diferentes formas funcionales para los circuitos.

Convención

En las ecuaciones se utilizan letras minúsculas para representar las variables, siempre que puedan ser dependientes del tiempo. Las letras

mayúsculas indicaran que permanecen constantes. Son todos aquellos circuitos que contienen una resistencia, un capacitor y una bobina.

Bobina

Alambre conductor en forma de espirales, de n numero de vueltas, que se opone al cambio de sentido de la corriente, también almacena algo de energía contra-FEM, además de generar campos magnéticos induciendo voltaje o campos eléctricos induciendo magnetismo.

Circuito RL- Resistivo inductivoCircuito RC- Resistivo capacitivoCircuito RLC- Circuito inductivo capacitivo

Existen dos tipos de circuitos RLC, en serie o en paralelo, según la interconexión de los tres tipos de componentes. El comportamiento de un circuito RLC se describen generalmente por una ecuación diferencial de segundo orden (en donde los circuitos RC o RL se comportan como circuitos de primero orden).

Cuando se conecta un capacitor cargado a una resistencia, este se descarga a través de la misma de una manera similar a la carga, es decir que tampoco se realiza de manera lineal. Al principio se descargará más rápido y luego con menor velocidad.

Los circuitos con inducción funcionan al revés que los capacitivos. En un primer instante la corriente encuentra cierta dificultad para circular (mientras se crea el campo magnético). Luego el inductor funciona prácticamente como un conductor, siendo la corriente igual al voltaje dividido la resistencia.

Es común encontrar objetos que vibran u oscilan como las cuerdas de una guitarra o el movimiento de un péndulo, también se sabe que los átomos vibran en torno a cierta posición. El movimiento ondulatorio se relaciona estrechamente con el fenómeno de la vibración. Las ondas sísmicas, el sonido o las ondas que se producen en la superficie del agua son producidos por vibraciones.

La mayor parte de la información que recibimos nos llega en forma de ondas, como el sonido; incluso la información que obtenemos por medio de la observación del mundo que nos rodea o las señales de la televisión o el radio son ondas electromagnéticas.

Se puede decir que el movimiento ondulatorio es la propagación de una onda por un medio material o en el vacío.

Una onda es una perturbación de alguna propiedad de un medio como la densidad, presión, campo eléctrico, campo magnético, etc. La onda transporta energía y así todo tipo de onda se adquiere más fácil ya sea haciendo una ecuación o sustituyendo la respuesta más rápidamente.



Física Unidad 4Clasificación de las ondas

Pueden ser clasificadas de distintas formas, dependiendo de los factores que se tengan en cuenta para hacerlo:

En función del medio de propagación

Mecánicas (medio material): las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.

No mecánicas (medio no material): son aquellas que no necesitan de un medio elástico, se propagan por el vacío. Dentro de estas ondas se encuentran las electromagnéticas.

En función de su propagación

Escalares: es una magnitud, sin dirección ni sentido. Por ejemplo, la presión en un gas, o la onda emitida por las partículas elementales del átomo.

Vectoriales: la magnitud tiene una dirección y un sentido. o Ondas longitudinales: el movimiento de las partículas que transporta la onda es paralelo a la dirección de propagación de la misma.

Por ejemplo, el sonido.o Ondas transversales: las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, las ondas

electromagnéticas (son ondas transversales perpendiculares entre sí).

En función de su periodicidad

Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal. Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen

características diferentes. Las ondas aisladas se denominan también pulsos.

En función de su frente de onda

Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.

Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él.



Física Unidad 4 Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como

ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

Hay distintos tipos de ondas y distintos niveles de conocimientos en los que puede responderse tu pregunta. Te cuento acerca del caso más simple, que son las ondas armónicas (cuya forma puede describirse mediante funciones seno o coseno). Estas ondas tienen tres parámetros que las determinan: Amplitud: Que es el máximo valor de energía que pueden tomar. Frecuencia: La cantidad de veces por segundo en que la onda alcanza un valor dado de energía. Fase: Determina el valor de energía en un instante inicial; este parámetro es de interés según la aplicación.

La forma matemática es:

A x Seno (2 x PI x F + P)

Siendo A la amplitud, PI=180°, F la frecuencia y P la fase.

Un ejemplo de onda es el sonido, tiene un valor máximo que se repite a una determinada frecuencia. La nota musical "LA" tiene una frecuencia de 550 veces por segundo, y la amplitud de la misma es lo que determina el volumen con que suena. La fase no tiene consecuencias en sonidos monofónicos. Una cuerda de guitarra que toca un LA vibra 550 veces por segundo, y cuanto mas se la desplace de su posición de reposo, mayor será la amplitud de la vibración y en consecuencia mayor su volumen. Hay distintos tipos de ondas y distintos niveles de conocimientos en los que puede responderse tu pregunta. Te cuento acerca del caso mas simple, que son las ondas armónicas (cuya forma puede describirse mediante funciones seno o coseno). Estas ondas tienen tres parámetros que las determinan: Amplitud: Que es el máximo valor de energía que pueden tomar. Frecuencia: La cantidad de veces por segundo en que la onda alcanza un valor dado de energía. Fase: Determina el valor de energía en un instante inicial; este parámetro es de interés según la aplicación.

La forma matemática es:

A x Seno (2 x PI x F + P)

Siendo A la amplitud, PI=3.141592654, F la frecuencia y P la fase.

Un ejemplo de onda es el sonido, tiene un valor máximo que se repite a una determinada frecuencia. La nota musical "LA" tiene una frecuencia de 550 veces por segundo, y la amplitud de la misma es lo que determina el volumen con que suena. La fase no tiene consecuencias en sonidos

monofónicos. Una cuerda de guitarra que toca un LA vibra 550 veces por segundo, y cuanto mas se la desplace de su posición de reposo, mayor será la amplitud de la vibración y en consecuencia mayor su volumen.



Física Unidad 4MODELO TEÓRICO

El modelo teórico a utiliza res el movimiento ondulatorio, el cual va a tener un comportamiento sinusoidal

En esta simulación puedes explorar las ideas de interferencia y difracción como resultado del paso de ondas a través de una abertura, ondas que se emiten con amplitud igual en todas direcciones desde dos fuentes, y ondas que pasan a través de una doble rendija. Observa que el patrón de la doble rendija es una combinación de los patrones de doble fuente y una sola rendija.

Para la rendija sola que tiene un ancho a, los lugares de los ceros en el patrón (debido a la interferencia destructiva) se calculan con:

a sinθ = m λ, donde m = 1, 2, 3, ...

Para una doble fuente, con una distancia d entre las fuentes, los lugares de los ceros en el patrón (debido a la interferencia destructiva) y la interferencia máxima (debida a la interferencia constructiva) se calculan por:

patrón de doble fuente, interferencia destructiva: d sinθ = (m + 0.5) λ, donde m = 0, 1, 2, ...

patrón de doble fuente, insterferencia constructiva: d sinθ = m λ, donde m = 0, 1, 2, ...

El patrón de doble rendija tiene las mismas ecuaciones que el de doble fuente, con la excepción de lo que es conocido como ordenes perdidos. Esto es cuando las regiones brillantes de interferencia constructiva que se predicen con la última ecuación de arribano se observan porque coinciden con los ceros en el patrón asociado con la ecuación de una sola rendija. Cuando d/a = 4, por ejemplo, líneas brillante que corresponden a m = 4, 8, 12, ... (multiplos of d/a) no se encuentran en el patrón, debido a que ninguna rendija envía ondas en esas direcciones.

La trayectoria que sigue un rayo de luz entre dos puntos dados es aquella que es recorrida en el tiempo mínimo. Esta idea fue formulada por Fermat y se le conoce como el principio de Fermat del tiempo mínimo.



Física Unidad 4Cuando la luz pasa de un medio a otro cambia de dirección, es decir, se refracta. Esta refracción se debe a que la luz se propaga con distinta rapidez en los distintos medios. Así, por ejemplo, los rayos de luz se desvían al entrar en un bloque de vidrio y se vuelven a desviarse al salir de éste.

Algunos objetos de vidrio, como las lentes, tienen la capacidad de formar imágenes que se ven ya sea más grandes o más pequeñas que el objeto original. También pueden estar más cerca o más lejos que el original.

Polarización de la luz

La polarización es una propiedad exclusiva de las ondas transversales consistente en la vibración del campo eléctrico y del magnético en una dirección preferente sobre las demás.

En general, las ondas electromagnéticas no están polarizadas, lo que quiere decir que el campo magnético y el campo eléctrico pueden vibrar en cualquiera de las infinitas direcciones que son perpendiculares a la dirección de propagación de las ondas. Se produce el fenómeno de la polarización cuando se consigue que la vibración de las ondas se realice en una dirección determinada.

Polarización por absorción selectiva

En 1938, el inventor americano Land descubrió un material formado por finas láminas que contienen moléculas de hidrocarburos alineadas en largas cadenas. Se llamó polaroide o polarizador. Cuando el campo eléctrico de la luz tiene la dirección de estas moléculas se generan corrientes de electrones libres a lo largo de ella y la luz es absorbida. Si la luz del campo eléctrico oscila en la dirección perpendicular a la alineación de las moléculas no sufre apenas variación y atraviesa el filtro. A esta dirección se le denomina eje de transmisión del filtro.

Experiencia: Vamos a hacer atravesar la luz por dos filtros idénticos . Al primero lo llamaremos polarizador y al segundo analizador. La luz no polarizada se polarizará al atravesar el polarizador según la dirección de su eje de transmisión. Si la dirección del eje de transmisión del analizador coincide con la del polarizador la luz atravesará el analizador. Pero si lo vamos girando, vemos que la luz se va absorbiendo hasta que no pasa, cuando son perpendiculares.

Esto había sido enunciado por el francés Malus en 1809:

I = Io cos2 θ, donde I es la intensidad de la luz emergente del analizador, Io la intensidad de la luz incidente en él y θ es el ángulo que forman los ejes de transmisión de ambas láminas polarizadoras. A la expresión se le conoce como ley de Malus. Se deduce que la luz emergente es igual a la incidente cuando los ejes de transmisión son paralelos y es nula cuando ambos ejes son perpendiculares. Se dice que los polarizadores están cruzados

Polarización por reflexión



Física Unidad 4En 1808 el francés Malus descubrió que si la luz natural incide sobre una superficie pulimentada de vidrio, la luz reflejada está total o parcialmente polarizada, dependiendo del ángulo de incidencia.

En 1812, el escocés Brewster descubrió que la polarización es total para un ángulo de incidencia tal que el rayo reflejado y el refractado formen un ángulo de 90º. A este ángulo se le llama ángulo de polarización o de Brewster.

r + r’ = 90; i = r por las leyes de la reflexión.

Para un rayo que incide desde el aire (índice n1) sobre un medio con índice de refracción n1 tendremos n2/n1 = sen i / sen r’ = sen i / sen (90-r) = sen i /cos r = sen i / cos i = tag i;

n2/n1 = tg i;

La polarización es total cuando la tangente del ángulo de incidencia es igual al índice de refracción del medio en el que tiene lugar la refracción.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Un Año después, Hallwachs hizo una importante observación de que la luz ultravioleta al incidir sobre un cuerpo cargado negativamente causaba la perdida su carga, mientras que no afectaba a un cuerpo con carga positiva. Diez años mas tarde, J. Thomson y P. Lenard demostraron independientemente, que la acción de al luz era la causa de al emisión de cargas negativas libres por la superficie del metal. Aunque no hay diferencia con los demás electrones, se acostumbra al denominar fotoelectrones a estas cargas negativas.

Heinrich Hertz establece básicamente que electrones de una superficie metálica pueden escapar de ella si adquieren la energía suficiente suministrada por luz de longitud de onda lo suficientemente corta. Hallwachs y Lenard estudiaron también este efecto años después.Posteriormente Einstein le dio el significado correcto en 1905, en el que dice que un haz de luz se compone de paquetes de energía llamados cuantos de luz o fotones. Cuando el fotón choca contra un electrón en la superficie de un metal, el fotón l e puede transmitir energía al electrón, con la cual podría este escapar de la superficie del metal.

Efecto fotoeléctrico externo

Es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que



Física Unidad 4consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto de partículas, contribuyó al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la fotoionización, la fotoconducción y el efecto fotovoltáico. La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltáico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.

Efecto fotoeléctrico interno

En el fotoefecto interno los electrones excitados permanecen dentro de la sustancia, contrario al fotoefecto externo. Cuando el material es irradiado, electrones de la banda de valencia son llevados a la banda de conducción y aumenta la conductividad eléctrica del material irradiado. Este aumento de conductividad se llama fotoconducción. En el caso en de los metales, debido a su alta conductividad eléctrica base, el aumento de conductividad por radiación es insignificante, por eso el fotoefecto interno se emplea tanto en los semiconductores dopados como en los intrínsecos.

La conductividad intrínseca es ocasionada por electrones y huecos térmicamente generados, que están presentes en iguales concentraciones. Cuando la sustancia es irradiada, portadores de carga libres adicionales son producidos por la energía del fotón con lo que se mejora la conductividad. Mediante el dopado deliberado de un semiconductor con donantes o aceptores, se obtiene un semiconductor tipo P o N.

Fotoefecto de unión

El fotoefecto de unión es un fotoefecto interno y se utiliza en fotodiodos, diodos de avalancha, fototransistores, transistores de efecto de campo y fototiristores. Estos componentes se fabrican como semiconductores dopados donde energías cuánticas más pequeñas son necesarias para elevar la



Física Unidad 4conductividad que en el caso del semiconductor intrínseco. La construcción de un fotodiodo o un fototransistor es la misma en principio como en un diodo o un transistor.

Elementos básicos

Los elementos básicos del sistema de control típico abarcan cuatro componentes principales:

1. Una fuente de radiación típica, esto, es algo específicamente diseñado para emitir radiación.2. Un receptor de radiación que contiene un elemento fotosensitivo para cambios sensibles en radiación.3. Un amplificador para aumentar la salida eléctrica del elemento sensible a un nivel útil.4. Un dispositivo de salida que ejecute alguna función de control como resultado de la señal amplificada.

Medida de h por Millikan

La letra h en la ecuación de Einstein, es importante porque es fundamental para la estructura de la materia y, por lo tanto, es una constante universal. Habiendo sido introducida primero por Planck, en 1901, el nombre de la constante de Planck s ha adherido firmemente a este símbolo h. La primera confirmación experimental de la ecuación fotoeléctrica de Einstein vino en 1912, cuando A. L. Hugues; e independiente O. W. Richardon y K. T. Compton, observaron que la energía de los fotoelectrones aumentaba proporcionalmente con la frecuencia. La constante de proporcionalidad que ellos encontraron es aproximadamente igual a la constante h de Planck.

Posteriormente, Millikan realizo una serie de experimentos exhaustivos que establecieron la ecuación fotoeléctrica de tan preciso, que sus trabajos se consideran ahora como los que dan el valor más exacto de h.

Para esto fue necesario medir los tres factores v, W y ½ mv2, y despejar la incógnita h de la siguiente ecuación:

Ve = ½ mv2

Experimentos previos realizados sobre el efecto fotoeléctrico demuestran que obtenerse buenos resultados solo si las superficies metálicas están adecuadamente limpias. Millikan logro obtener superficies metálicas no contaminadas preparándolas dispositivos.

Umbral fotoeléctrico

Una vez hechas las mediciones, Millikan calculo las energías correspondientes a los fotones para diversas frecuencias de luz y represento los resultados sobre un gráfico. El punto de intersección entre la recta u el eje horizontal determinara la frecuencia umbral v0.



Física Unidad 4El umbral fotoeléctrico se define como la frecuencia para la cual la luz que incide sobre la superficie metálica solo puede liberar los electrones, pero sin comunicarles energía cinética adicional. Para esta frecuencia, la energía cinética ½ mv2 de la ecuación de Einstein es nula y la energía del fotón esta dada por

W = hv0

El valor de h es 6.6261965 x 10-34 joule segundo.

El Premio Nobel de Física asignado a Millikan en 1923 le fue otorgado en primer lugar por sus importantes trabajos experimentales de determinación de la constante de Plank y en segundo lugar también por la carga electrónica e.

Célula fotoeléctrica

Componente electrónico basado en el efecto fotoeléctrico. En su forma más simple, se compone de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación. Las células fotoeléctricas pueden estar vacías o llenas de un gas inerte a baja presión para obtener una mayor sensibilidad. Una variante de la célula fotoeléctrica, el fototubo multiplicador o fotomultiplicador, consiste en una serie de placas metálicas dispuestas de forma que la emisión fotoeléctrica se amplifica mediante una emisión eléctrica secundaria. El fototubo multiplicador es capaz de detectar radiaciones extremadamente débiles, por lo que es una herramienta esencial en el área de la investigación nuclear.

Las células fotoeléctricas se emplean en alarmas antirrobo, semáforos de tráfico y puertas automáticas. Una célula fotoeléctrica y un rayo de luz (que puede ser infrarrojo o invisible al ojo humano) forman una parte esencial de este tipo de circuito eléctrico. La luz producida por una bombilla en un extremo del circuito cae sobre la célula, situada a cierta distancia. El circuito salta al cortarse el rayo de luz, lo que provoca el cierre de un relé y activa el sistema antirrobo u otros circuitos. Se utilizan varios tipos de células fotoeléctricas en la grabación de sonido, en la televisión y en los contadores de centelleo

Mapa mental Movimiento de un cuerpo en una órbita circular alrededor de la tierra


Un objeto estará en equilibrio de traslación, si el vector suma de las fuerzas que actúan sobre él

es nulo


Física Unidad 4


Segunda ley de Newton

Cuando existe una fuerza neta que actúa sobre un objeto, el objeto

experimenta una aceleración en la misma dirección de la fuerza

El equilibrio se determina observando cómo cambian las fuerzas, cuando el objeto es apartado ligeramente de su

estado inicial de reposo o de movimiento uniforme

Primera ley de Newton

Tercera ley de Newton

Ley de la gravitación universal

Todos los objetos del universo se atraen entre

sí

La fuerza gravitatoria ejercida por la tierra sobre un objeto es relativamente grande a

causa de la gran masa de la tierra

fórmula

La fuerza que actúa sobre un objeto

particular puede afectar a su estado de

movimiento

F=G m 1m2

r2

Campo gravitacional

Es la fuerza por unidad de masa en un lugar determinado, la magnitud de este campo es simplemente la aceleración

debida a la gravedad

Satélites geosincrónicos

Están ubicados de modo que puedan moverse alrededor de la tierra en

órbitas ecuatoriales con un periodo igual al de la tierra (un día)

Fórmula


Física Unidad 4

Martes 18 de Diciembre 2012

Miercoles 19 de Diciembre 2012

Jueves 20 de Diciembre 2012

Jueves21 de Diciembre 2012

Viernes 22 Diciembre 2012

Elaborar la portada

x


F=F2

m=Gmer2

Fuerza centrípeta

Para el movimiento circular se origina por la fuerza gravitacional

de atracción

Un satélite sólo puede tener una rapidez v que le permita permanecer en una órbita de radio fijo

Fc=m2

r=Gmmer2

Los satélites permanecen en un punto accesible en una latitud constante, permite que haya comunicación directa

entre dos puntos de la tierra

Fórmula

Fórmula

Dispositivos mecánicosEl satélite se acondiciona mediante todo un sistema de control térmico que incluye elementos de transporte del calor superficies radiantes, reflectoras

Los dispositivos tienen márgenes de temperatura de funcionamiento relativamente estrechos si se comparan

con las variaciones térmicas extremadas del espacio.


Física Unidad 4Elaborar

introducciónx

Elaborar objetivos xElaborar modelo

teóricox x

Descripción del movimiento de un

cuerpo en una órbita circular

alrededor de la tierra

x x

Descripción del movimiento del

satélite en órbita alrededor de la

tierra

x x

Modelado del movimiento del sistema Tierra –

satélite usando las leyes de Newton y

la ley de la Gravitación Universal

x x

Dispositivos mecánicos para el

movimiento del satélite

x x

Elaborar mapa mental

x

Cronograma de actividades

x x x x x

Bibliografía x



Física Unidad 4Referencia Bibliográfica:

Kane Joseph, Stemheim Morton, Casas Vázquez José, Física. Editorial Reverte, 1996, 824 págs.

García Ruiz de Angulo Juan José. Los satélites de comunicaciones. Editorial Marcombo 1989, 256 págs.

E. Tippens Paul. Física conceptos y aplicaciones. Editorial Mc Graw Hill, séptima edición, 2007, 777 págs.

Física General; Beatriz Alvarenga Antonio Máximo; cuarta edición 1998 Oxford press México

(1) Cheng D K 1993 Fundamentals of Engineering Electromagnetics (N.Y., Addison-Wesley) EnCastellano:Cheng D K 1997 Fundamentos de Electromagnetismo para Ingeniería (Wilmington, Addison-WesleyIberoamericana)

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http://mediosdetransmisionyperturbaciones.wordpress.com/medios-no-guiados/

http://www.cosmonautica.es/11.html


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fis ea u4 equipo

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