Guia per al professorat

Introducció

Aquesta proposta de pràctica virtual utilitza una miniaplicació que es pot descarregar gratuïtament del conjunt PhET, elaborat per la Universitat de Colorado a Boulder (http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/physics.) També hi és la versió en català i en castellà. Si feu clic a la figura 1 podreu accedir a la versió catalana.

La simulació (vegeu la figura 1) representa una antena emissora i una de receptora. Fent oscil•lar un electró de l'antena emissora podem observar com al cap d'una estona comença a oscil•lar un altre electró situat en l'antena receptora amb la mateixa freqüència. A partir d'aquest fenomen es poden obtenir les posicions dels dos electrons en funció del temps i comparar-les. També podem observar el camp estàtic creat per l'electró, el camp radiat, les forces sobre l'electró i el camp com a ona.

Temporització 1-2 hores (es pot fer 1 hora a classe i acabar-ho a casa) Alumnes als quals s’adreça l’experiència 2n de batxillerat Metodologia La idea és entendre com funciona una antena emissora i una de receptora de ràdio i relacionar-ho amb el camp electromagnètic. La pràctica està pensada com a problema integrador, ja que s'hi pot treballar: moviments harmònics simples (MHS), gràfics del moviment, forces elèctriques, camp elèctric i ones. També es pot ometre’n alguna part i centrar-se més en la part de l'electromagnetisme. En obrir l'aplicació observem dues antenes: L'electró representat per un punt blau es pot moure de dalt a baix de l'antena de manera manual o automàtica.

Fig 1. miniaplicació "Ones de ràdio" de la col•lecció PhET. Podeu fer clic a la imatge per accedir-hi.

En el menú de la dreta tenim: Moviment que s’ha de transmetre: manual o oscil•lant i amb les palanques de sota es pot modificar la freqüència i l'amplitud d'oscil•lació de l'electró. Vegeu la figura 2.
	Fig 2.

Mode de visió del camp: amb vectors, sense, tot o bé res. Vegeu la figura 3.
	Fig 3.

Tipus de camp: mostra les forces sobre l'electró (color vermell) o el camp elèctric (verd). Vegeu la figura 4.
	Fig 4.

Camp a mostrar: pot ser el camp radiat o el camp estàtic.Vegeu la figura 5. Posicions electró: apareix el gràfic posició-temps dels dos electrons.Vegeu la figura 5.
	Fig 5.

1. Començarem fent oscil•lar l'electró de l'antena emissora amb el play. Observarem què passa a l'electró del receptor.
A continuació els alumnes hauran d'explicar el fenomen observat, identificar el tipus de moviment que tenen els electrons i representar al seu parer al gràfic posició-temps dels dos electrons i comparar-los.
També poden variar la freqüència i l'amplitud d'oscil•lació de l'electró emissor i treure'n conclusions.

2. Aquí comproven el seu gràfic amb el que dóna la simulació i en treuen les conclusions corresponents.

3. En l'apartat “Forces sobre l'electró” interessa que vegin el sentit de la força (en color vermell), que aquesta no és constant, que disminueix amb la distància i que la pertorbació es desplaça en forma d'ona.

4. En el següent apartat, “Camp elèctric radiat”, cal adonar-se que aquest va en sentit contrari a la força, que no és constant, que disminueix amb la distància i que també es pot representar en forma d'ona. Aquest és el camp interessant, és el que possibilita que a l’electró del receptor li arribi l’ona electromagnètica.(ona EM).

5. Pel que fa a “Camp elèctric estàtic” (malgrat la càrrega, està en moviment), es pot veure que la direcció és radial, que el sentit és cap a la càrrega negativa i que disminueix molt amb la distància, i que, per tant, no influeix en l'electró del receptor.

6. A “Camp total” es pot veure com les ones es propaguen per tot l'espai fins que arriben al receptor. De tota manera, aquest apartat pot confondre els alumnes; per tant, no és necessari fer-lo.

Orientacions tècniques

La miniaplicació està escrita en Java . Seguint l'enllaç trobareu ajuda.

Full de l’alumnat

Objectiu

Saber com funcionen un emissor i un receptor de ràdio.
Com intervenen els camps elèctrics i magnètics en el funcionament d'una ràdio.

Introducció

L'espectre radioelèctric (radiofreqüència, ones de ràdio o RF) és el conjunt d'ones electromagnètiques amb freqüències compreses entre 3 Hz i 3000 GHz.
Tots els sistemes de telecomunicació utilitzen senyals elèctrics per al transport de la informació. Aquests es descriuen per la variació que hi ha en el temps de les magnituds de tensió i corrent. A més d'aquesta descripció en el domini del temps, és possible establir-ne una altra en el domini de la freqüència, que és l'espectre del senyal. Cada mitjà de transmissió té un espectre radioelèctric o amplada de banda de transmissió propi, en la qual s'ubiquen els senyals que s'hi propaguen.
Com que l'espectre radioelèctric és un bé limitat i que no pot créixer, es poden superposar un o diversos senyals diferents, però de la mateixa freqüència o molt properes, amb el risc que es produeixin interferències i s’impedeixi l'establiment de cap comunicació. És per aquesta raó que l'espectre radioelèctric adopta el caràcter de bé de domini públic i el seu control i custòdia són responsabilitat de les administracions públiques, les quals n’estableixen el reglament d'ús i l'assignació de freqüències i potències d'emissió per a les estacions i els serveis de comunicació que ho sol•liciten.

Material

http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/physics en català i en castellà. Si feu clic a la figura 8, una mica més avall, podreu accedir a la versió catalana.

Realització

En obrir l'aplicació trobareu a la dreta de la pantalla les següents possibilitats següents (vegeu les figures 6 i 7):

Fig 6.		Fig 7.

1. Com treballen els electrons en les antenes de ràdio? 1.1. Obre l'aplicació i marca: Moviment: oscil·lant Visió del camp: cap 1.2. Prem “Play”. 1.3. Descriu què observes. 1.4. Varia la freqüència d'oscil•lació i l'amplitud de desplaçant amb el botó corresponent. Explica com són afectades la freqüència i l'amplitud d'oscil•lació de l'electró receptor. 1.5. Representa segons el teu parer el gràfic posició-temps dels dos electrons.
	Fig 8. miniaplicació "Ones de ràdio" de la col•lecció PhET. Podeu fer clic a la imatge per accedir-hi.

2. Gràfic posició-temps dels electrons

2.1. Marca les posicions de l’electró.
2.2. Prem “Play”
2.3. Què n'obtens? És el que esperaves o no? Justifica la resposta.

3. Forces sobre l'electró.

3.1- Marca:
Moviment: oscil•lant
Visió del camp: oscil•lació amb vectors
Tipus de camp: força sobre l'electró
Camp a mostrar: camp radiat
3.2. Prem “Play”.
3.3. Què observes? Quin moviment descriu l'electró?
3.3. Dibuixa o captura la imatge de l'ona que s'origina i les forces sobre l'electró per incloure-la a l'informe.
3.4. En quin punt de l'antena es troba l'electró quan la força que actua sobre ell és zero?
3.5. Com es relaciona el sentit de la força amb la posició de l'electró?

4. Camp elèctric radiant.

4.1. A“Tipus de camp” marca: camp elèctric
4.2. El camp elèctric és uniforme? És constant?
4.3. Va en el mateix sentit o en sentit contrari a la força? Per què?
4.4. Com es produeix aquest camp elèctric?

5. Camp elèctric estàtic.

5.1. Marca: camp estàtic
5.2. Quina direcció i sentit tenen les línies de camp?
5.3. És uniforme o radial?

6. Camp total.

6.1. Marca
Moviment: oscil•lant
Visió del camp: camp total
Tipus de camp: força sobre l'electró
Camp a mostrar: camp radiat
6.2. Prem “Play”
6.3. Per què és diferent respecte a quan només hi ha camp elèctric? Què és el que ha variat ara?
6.4. Podries dibuixar o descriure la forma de les línies de camp? Com canvien amb el temps?
6.5. Pots identificar els elements característics d'una ona, període, velocitat de propagació?

7. Conclusions

Comenta breument quin paper juga en l’emissió i la recepció de les ones de ràdio cadascun dels següents elements i la relació entre tots tres:

Moviment del electrons a cadascuna de les dues antenes,
Camp elèctric estàtic,
Camp elèctric radiat.

Solucions

1. Com treballen els electrons en les antenes de ràdio?

En fer oscil•lar l'electró de l'antena emissora, al cap d'una petita estona comença a oscil•lar l'electró de l'antena receptora amb el mateix període i la mateixa freqüència, però amb una amplitud inferior.
Si augmenta la freqüència de l'emissor també augmenta la del receptor, però sempre són iguals. L'amplitud de l'electró a l’antena receptora varia de manera proporcional a l'amplitud de l'electró a l'antena emissora.

2. Gràfic posició-temps dels electrons Els dos electrons tenen el mateix període i la mateixa freqüència, però el receptor té menys amplitud i, per tant, menys intensitat (menys energia) i està desfasat. Vegeu la figura 9. Si mantenim la freqüència i posem una amplitud més petita o més gran, varia l'amplitud d'oscil•lació de l'electró. Vegeu les figures 10 i 11.
	Fig 9.

Fig 10.		Fig 11.

Si mantenim l'amplitud constant i disminuïm la freqüència, l'energia de l'ona emesa és menor; per tant, augmenta la longitud de l'ona (). Vegeu la figura 12.
	Fig 12.

3. Forces sobre l'electró. L'electró emissor descriu un moviment harmònic simple (MHS) i el receptor també. Els dos oscil•len amb un cert desfasament i tenen el mateix període. L'ona s'origina just quan comença a moure's l'electró. L'animació no mostra la trajectòria de cap electró, sinó la força que actuaria sobre un electró en cada posició i en cada moment. Quan l'electró es mou cap avall, a partir del moment en què sobrepassa la posició d'equilibri, la força va cap amunt; per tant, l'electró frena fins que s'atura. En aquest instant la força és màxima i l'electró es troba en la posició més baixa, que és la màxima elongació o amplitud (-A). Quan l'electró continua cap amunt la força va cap avall de manera que la velocitat de l'electró disminueix fins que s'atura en la posició de màxima elongació (A). En la posició d'equilibri la força és zero. L'electró del receptor rep una força menor; per tant, l'amplitud del moviment que fa també és més petita. Vegeu la figura 13.

Fig 13.

4. Camp elèctric radiant. El camp elèctric és constant? Les línies de camp són paral•leles, però la intensitat de la força i del camp elèctric disminueixen amb la distància; per tant, no és constant. Va en el mateix sentit, o en sentit contrari a la força? Per què? També comprovem que el camp elèctric va en tot moment en sentit contrari a la força, perquè la càrrega és negativa. Quan el camp s'anul•la, la força elèctrica val zero (F=0);és a dir, quan l’electró passa per la posició d’equilibri. Vegeu la figura 14. Com es produeix aquest camp elèctric? Les lleis de Maxwell indiquen que per produir ones electromagnètiques, les càrregues han d'estar accelerades. El físic alemany Heinrich Hertz va idear un muntatge l'any 1887 que consistia en un corrent oscil•lant, en el qual les càrregues s'acceleraven i es desacceleraven alternativament, com passa amb una massa que oscil•la penjada d'una molla. (Com passa en l'animació que estem estudiant.) El dispositiu dissenyat per Hertz s'anomena dipol oscil•lant i consta d'un emissor i d'un receptor. Marconi va perfeccionar aquest dispositiu i va aconseguir transmetre un senyal electromagnètic a través de l'Atlàntic. Quan un objecte conductor, com per exemple una antena, condueix un corrent altern (emissor), la radiació electromagnètica es propaga amb la mateixa freqüència que el corrent. De la mateixa manera, quan una radiació electromagnètica incideix en un conductor elèctric (receptor), els electrons de la seva superfície oscil•len i es genera un corrent altern de la mateixa freqüència.

Fig 14.

5. Camp elèctric estàtic Aquí han d'observar que: el camp és radial, el sentit és cap a l'electró i la intensitat disminueix amb la distància. Pot destacar-se que el camp disminueix més ràpidament amb la distància () que no pas en el cas anterior. També han de notar que la direcció i el sentit del camp només depenen de la posició inicial de l'electró de l'antena emissora i que la intensitat és independent del moviment. Vegeu la figura 15.

Fig 15.

6. Camp total.

Ara podem observar el camp elèctric total o bé la força també total. Podem observar com tenen sentit contrari i es propaguen per l'espai fins que arriben a l'antena receptora.
Es pot indicar la longitud d'ona en qualsevol de les dues imatges com la distància entre dues crestes, el període com el temps que tarden a passar dues crestes successives per l'antena i la velocitat de propagació. Vegeu les figures 16 i 17.

Fig 16.		Fig 17.

7. Conclusions

1. Els electrons en les antenes de ràdio oscil•len amb un MHS. Aquest moviment és produït per un corrent elèctric altern.

2. L'electró receptor rep l'energia corresponent i oscil•la amb la mateixa freqüència però amb una amplitud inferior, cosa que origina un corrent elèctric altern.

3.Podem representar la propagació del camp amb un model ondulatori. En allunyar-nos de l'antena, l'energia radiada es va distribuint sobre superfícies cada vegada més grans, de manera que la intensitat del camp va disminuint.

4. Una partícula carregada en repòs genera un camp elèctric i en moviment també genera un camp magnètic. Sabem que les ones de ràdio són ones electromagnètiques, tot i que en aquesta simulació només s'hi representa el camp elèctric.

5. El camp estàtic disminueix amb la distància al quadrat; per tant, l’electró del receptor no arriba a detectar-lo i no té cap tipus d’influència en la propagació de les ones EM a llarga distància.

6. El camp radiat és el que possibilita que arribi l’ona EM a l’electró del receptor. Aquest és el camp interessant!

ISSN: 1988-7930 DL:  B-31773-2012   Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Gemma Montanyà, Cristina Periago, Octavi Plana, Jaume Pont i Ramon Sala.
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona

Recursos de Física col·labora amb la baldufa i també amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)