Ones de ràdio i camp electromagnètic

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!

Autor d'aquesta pàgina: Mercè Griñó i Lladó, professora de Física i Química a l'INS Icària de Barcelona.

Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons