Conceptos Fundamentales de Ondas, Señales y Fenómenos Electromagnéticos

Conceptos Fundamentales de Ondas y Fenómenos Físicos

A continuación, se definen términos clave relacionados con el movimiento ondulatorio y las señales físicas:

Definiciones Básicas de Movimiento Ondulatorio

• Oscilación: Movimiento periódico en el tiempo que se produce cuando perturbamos un sistema respecto a su posición de equilibrio.
• Onda: Perturbación que se propaga en el espacio con velocidad característica del medio.

Parámetros de Onda

• Longitud de Onda ($\lambda$): Distancia entre dos puntos con el mismo estado de oscilación.
• Frecuencia ($f$): Número de máximos por segundo de la onda.
• Velocidad de Propagación ($v$): Velocidad a la que se desplaza la perturbación.

Magnitudes Físicas y Unidades

• Frecuencia ($f$): Hercios (Hz).
• Longitud ($\lambda$): Metros (m).
• Potencia ($P$): Vatios (W).
• Intensidad ($I$): W/m².
• Energía ($E$): Julios (J).

Tipos de Señales

Las señales se clasifican según la naturaleza de la magnitud física que representan:

• Señal Analógica: Señal que registra o genera una magnitud física continua que es análoga a la señal que queremos transmitir o captar.
• Señal Digital: Señal que se genera o registra de forma discreta. Está formada por una serie de valores que representan la señal en intervalos de espacio o tiempo.

Fenómenos Electromagnéticos

Campo y Onda Electromagnética

• Campo Eléctrico ($\vec{E}$): Perturbación creada por cada carga eléctrica en el espacio, responsable de la fuerza eléctrica que actúa a distancia entre un par de cargas.
• Onda Electromagnética: Perturbación del campo eléctrico y magnético como consecuencia de cargas eléctricas que oscilan con movimiento armónico simple y que se propaga en el vacío con velocidad aproximada de $c \approx 3 \cdot 10^8 \text{ m/s}$.

La relación fundamental entre la velocidad, longitud de onda y frecuencia para cualquier tipo de ondas electromagnéticas es:

$c = \lambda \cdot f$

Por lo tanto, si $f = 30 \cdot 10^9 \text{ Hz}$, entonces $\lambda = c/f = 3 \cdot 10^8 / (30 \cdot 10^9) = 0.01 \text{ m} = 1 \text{ cm}$.

Fuentes Luminosas

Las fuentes se distinguen por el mecanismo de emisión de radiación:

• Fuentes Luminosas Térmicas: Emiten radiación electromagnética debido a su temperatura. Emiten luz visible cuando su temperatura es superior a unos $2500 \text{ K}$. El espectro emitido es continuo.
• Fuentes Luminosas Espectrales: Fuentes que emiten radiación generada por los electrones excitados de los átomos en un gas a baja presión en un tubo al vacío. El espectro de emisión aparece en forma de líneas discretas correspondientes a transiciones electrónicas entre los niveles atómicos. El espectro emitido es característico del gas y sirve para identificarlo.

Interacción de la Radiación con la Materia

• Scattering (Dispersión): La frecuencia ($f$) de la radiación incidente no coincide con ninguna de las frecuencias correspondientes a la diferencia de energías entre los niveles del átomo.
• Absorción: La frecuencia ($f$) de la radiación incidente coincide con la diferencia de energías entre los niveles del átomo, provocando la transición del electrón a un nivel superior.

Fenómenos Ópticos Clave

• Reflexión Total Interna: Ocurre cuando la luz incide desde un medio de índice de refracción alto hacia un medio de índice de refracción más bajo. El haz transmitido desaparece a partir de cierto ángulo de incidencia llamado ángulo límite. Para ángulos de incidencia mayores que el ángulo límite, toda la luz es reflejada de nuevo hacia el medio incidente y desaparece el haz transmitido. Este es el principio físico en que se basan las fibras ópticas.
• Ángulo de Brewster: Ángulo para el cual la luz reflejada por una superficie plana está linealmente polarizada. El estado de polarización de la luz reflejada es lineal con la dirección del campo eléctrico paralela a la superficie.

Propiedades de Ondas Acústicas y Procesamiento de Señales

Onda Acústica

Las propiedades principales de una onda acústica incluyen:

• Onda longitudinal.
• Onda armónica.
• Velocidad de propagación.
• Intensidad de la onda sonora.
• Reflexión y Transmisión de ondas sonoras.

Métodos de Codificación

Los métodos de codificación comunes para la transmisión de señales son:

• Modulación de Amplitud (AM).
• Modulación de Frecuencia (FM).

Criterio de Muestreo

Criterio de Muestreo de Nyquist: Una señal con ancho de banda limitado $\Delta f$ puede reconstruirse a partir de su forma digitalizada si la frecuencia de muestreo $F_s$ es mayor o igual a dos veces la anchura de banda de la señal:

$F_s \ge 2 \cdot \Delta f$