¿Qué es la propagación de las ondas? Definición, ecuación y sus tipos

Una onda es una perturbación que transfiere energía a través del medio o del espacio con una transferencia de masa insignificante o nula. Hay varios tipos de ondas que prestan muchos tipos de servicios diferentes Ondas electromagnéticas se utilizan ampliamente en aplicaciones de ingeniería. Utilizamos las ondas en varios tipos de aplicaciones, como la comunicación inalámbrica, el radar, Exploración espacialentre estas aplicaciones, algunas utilizan un medio guiado para enviar las ondas, mientras que otras hacen uso de un medio no guiado. En este artículo, conoceremos cómo las propiedades del medio afectan a la propagación de las ondas y las distintas formas en que se propaga una onda.

¿Qué es la propagación de las ondas? - Definición

Las ondas electromagnéticas son generadas por la potencia radiada del conductor que transporta la corriente. En los conductores, una parte de la potencia generada escapa y se propaga en el espacio libre en forma de Onda electromagnéticaque tiene un campo eléctrico que varía con el tiempo, un campo magnético y una dirección de propagación ortogonal entre sí.

La radiación de un transmisor isotrópico, esta onda recorre diferentes caminos para llegar al receptor. El camino que recorre la onda para viajar desde el emisor y llegar al receptor se conoce como Propagación de la onda.

Propagación de las ondas electromagnéticas (EM) o radioeléctricas

Cuando el radiador isotrópico se utiliza para la transmisión de las ondas EM, obtenemos frentes de onda esféricos, como se muestra en la figura, porque irradia las ondas EM de forma uniforme e igual en todas las direcciones. Aquí el centro de la esfera es el radiador, mientras que el radio de la esfera es R. Evidentemente, todos los puntos a la distancia R, situados en la superficie de la esfera tienen densidades de potencia iguales.

Las ondas E viajan en el espacio libre con la velocidad de la luz, es decir c = Pero EM las ondas viajan a través de otro medio la velocidad se reduce. La velocidad de las ondas EM en cualquier medio que no sea el espacio libre viene dada por,

donde c es la velocidad de la luz y es la permitividad relativa del medio.

Las ondas EM transmiten energía por absorción y reemisión de la energía de las ondas por parte de los átomos del medio. Los átomos absorben la energía de la onda, sufren vibraciones y transmiten la energía por reemisión de EM de la misma frecuencia. La densidad óptica del medio afecta a la propagación de las ondas EM.

Ecuación de propagación de las ondas

Las ondas toman muchas rutas en su camino para llegar al receptor. Son muchos los parámetros que deciden el camino que toma la onda, como las alturas de las antenas emisora y receptora, el ángulo de lanzamiento en el extremo emisor, la frecuencia de funcionamiento polarización etc

Muchas de las propiedades de las ondas se modifican durante la propagación, como la reflexión, la refracción, la difracción, etc., debido a la variación de los parámetros del medio de propagación, como la conductividad, la permitividad, la permeabilidad y las características de los objetos que obstruyen.

Generalmente, cuando se irradia energía en el espacio libre, la energía de la onda puede ser irradiada o absorbida por los objetos del medio. Por ello, al transmitir una onda a través de un medio es fundamental calcular la pérdida que puede sufrir la onda. Esta pérdida se llama Pérdida por transmisión de radioque se basa en ley del cuadrado inverso de la óptica y se calcula como la relación entre la potencia radiada y la potencia recibida.

Como sabemos que cuando se utiliza un transmisor isotrópico, la potencia se distribuye por igual, la potencia media puede expresarse en términos de potencia radiada como

La directividad de una antena de prueba viene dada por

Supongamos que la antena receptora recibe toda la potencia generada de las ondas de radio sin ninguna pérdida. Sea la potencia máxima recibida por la antena receptora en condiciones de carga adaptada. Cuando es la apertura efectiva de la antena receptora, podemos escribir como

En general, la directividad y la eficacia apertura para cualquier antena se relaciona como

Sea la directividad de la antena receptora. Entonces

Sustituyendo el valor en (3) obtenemos

Esta ecuación se conoce como la Ecuación Fundamental de la Propagación en el espacio libre, también conocida como Friss ecuación del espacio libre. El factor (λ/4πr)² se denomina pérdida de trayectoria en el espacio libre, que indica la pérdida de la señal. La pérdida de trayectoria puede expresarse como

Podemos expresar la ecuación (6) en dB como

La potencia recibida puede expresarse como

Que, simplificando, se obtiene como

Aquí la distancia r se expresa en kilómetros mientras que la frecuencia f se expresa en MHz. Esto indica una pérdida debida a la propagación de la onda al salir de la fuente.

Tipos de propagación de las ondas

La propagación de las ondas electromagnéticas o de las ondas de radio que atraviesan el entorno de la Tierra depende no sólo de las propiedades de ellas mismas, sino también de las propiedades del entorno. Existen diferentes vías de propagación por las que las ondas transmitidas pueden llegar al receptor. Todos estos modos dependen de la frecuencia de funcionamiento, de la distancia entre el emisor y el receptor, etc

• Las ondas que se propagan cerca de la superficie terrestre se llaman ONDAS DE TIERRA. Este tipo de propagación es posible cuando tanto la antena emisora como la receptora están cerca de la superficie terrestre.
• Las ondas terrestres que viajan sin ninguna reflexión se denominan ondas directas u ondas espaciales.
• Las ondas terrestres que se propagan hasta la antena receptora a través de la reflexión de la superficie terrestre se denominan ondas terrestres reflejadas u ondas superficiales.
• Las ondas que llegan a la antena receptora debido a la dispersión y reflexión por la ionización en la atmósfera superior se denominan Ondas del cielo.
• Las ondas que se reflejan o dispersan en la troposfera antes de llegar a la antena se denominan ondas troposféricas.

Propagación de las ondas terrestres o superficiales

Una onda de tierra viaja a lo largo de la superficie de la tierra. Estas ondas están polarizadas verticalmente. Por tanto, las antenas verticales son útiles para estas ondas. Si una onda polarizada horizontalmente se propaga como onda de tierra, debido a la conductividad de la tierra, el campo eléctrico de la onda se cortocircuita.

Cuando la onda de tierra se aleja de la antena transmisora, se atenúa. Para minimizar esta pérdida, el camino de transmisión debe estar sobre la tierra con una alta conductividad. Con respecto a esta condición, el agua de mar debería ser el mejor conductor, pero se ha observado que el gran almacenamiento de agua en estanques, suelos arenosos o rocosos presenta pérdidas máximas.

Por ello, los transmisores de alta potencia y baja frecuencia, que utilizan propagaciones de ondas terrestres, se sitúan preferentemente en los frentes oceánicos. Como las pérdidas en el suelo aumentan rápidamente con la frecuencia, esta propagación se utiliza prácticamente sólo para señales de hasta 2 MHz de frecuencia.

Para la difusión de ondas medias, aunque se prefieren las ondas terrestres, se transmite algo de energía a la ionosfera. Pero durante el día la energía es completamente absorbida por la ionosfera y durante la noche la ionosfera refleja la energía de vuelta a la tierra. Por tanto, toda la señal de emisión recibida durante el día se debe únicamente a las ondas terrestres.

El alcance máximo de la propagación de las ondas terrestres no sólo depende de la frecuencia, sino también de la potencia del transmisor. Como las ondas terrestres pasan por la superficie de la tierra, también se denominan ondas superficiales.

Propagación de las ondas del cielo

Todas las comunicaciones radioeléctricas largas de frecuencias medias y altas se llevan a cabo mediante la propagación de las ondas del cielo. En este modo se utiliza la reflexión de las ondas EM desde la región ionizada de la parte superior de la atmósfera de la Tierra para la transmisión de las ondas a distancias más largas.

Esta parte de la atmósfera se llama ionosfera, que se encuentra a unos 70-400 km de altura. La ionosfera refleja las ondas EM si la frecuencia está entre 2 y 30 MHz. De ahí que este modo de propagación se denomine también propagación de onda corta.

Utilizando la propagación de las ondas celestes es posible la comunicación punto a punto a grandes distancias. Con las reflexiones múltiples de las ondas del cielo, es posible la comunicación global a distancias extremadamente largas.

Pero un inconveniente es que la señal recibida en el receptor se desvanece debido al gran número de ondas que siguen un gran número de caminos diferentes para llegar al punto de recepción.

Propagación de las ondas espaciales

Cuando tratamos con ondas EM de frecuencia entre 30 MHz y 300 MHz, entonces es útil la propagación de ondas espaciales. Aquí las propiedades de Troposfera se utilizan para la transmisión.

Cuando se trabaja en el modo de propagación de ondas espaciales, la onda llega a la antena receptora directamente desde el transmisor o tras la reflexión de la troposfera, que está presente a unos 16 km por encima de la superficie terrestre. Por tanto, el modo de onda espacial consta de dos componentes, a saber onda directa y onda indirecta.

Aunque estos componentes se transmiten al mismo tiempo con la misma fase, pueden llegar en fase o desfasados entre sí al extremo del receptor, dependiendo de las diferentes longitudes del camino. Por lo tanto, en el lado del receptor la intensidad de la señal es la suma vectorial de las intensidades de las ondas directas e indirectas.

El espacio propagación de ondas se utiliza para la propagación de frecuencias muy altas.

¿Cuál es la propagación que se utiliza para la radiodifusión en onda corta?

La radiodifusión en onda corta suele tener lugar en la gama de frecuencias de 1,7 a 30 MHz. Como hemos visto anteriormente, las frecuencias de este rango se propagan a través del modo de propagación Skywave.

Dependiendo de la frecuencia o la longitud de onda, las ondas electromagnéticas producen diferentes efectos en diversos materiales y dispositivos. Por ello, las diferentes partes del espectro electromagnético se utilizan para diversas aplicaciones. ¿Cuál de los modos de propagación de las ondas te intriga? Aplica cuál de los modos de propagación te parece un reto.