Grupo #3 - Reporte de Experimento de Hertz

Universidad Nacional de Ingeniería Instituto de Estudios Superiores Recinto Universitario Simón Bolívar R.U.S.P Campus Albert Einstein Facultad de Electrónica y Computación Trabajo Investigativo de Electrodinámica Tema: Experimento de Hertz

Elaborado por: George Marcel Arriaza Baltodano Alberto Martín Martínez López Oscar Francisco Hernández Ortiz

Carnet:

2020-0413I 2019-0605I 2020-0296I

Grupo: 3T1-T

Docente: Enrique Antonio Peña Sequiera

Fecha: viernes 01 de abril de 2022

Tabla de Contenido Resumen ....................................................................................................................................................... 3 Introducción ................................................................................................................................................ 3 Motivación ................................................................................................................................................... 3 Objetivos ...................................................................................................................................................... 4 Marco Teórico ............................................................................................................................................. 4 Las Ecuaciones de Maxwell y su teoría electromagnética ....................................................................... 4 El experimento de Hertz............................................................................................................................ 6 Desarrollo Experimental ............................................................................................................................ 7 Construcción ............................................................................................................................................. 7 Materiales ................................................................................................................................................. 8 Experimento .............................................................................................................................................. 8 Resultados ................................................................................................................................................. 9 Conclusiones ................................................................................................................................................ 9 Recomendaciones ........................................................................................................................................ 9 Bibliografía ................................................................................................................................................ 10 Anexos ........................................................................................................................................................ 11

Resumen El experimento de Hertz fue un experimento revolucionario debido a que de forma practica pudo demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas y varias de sus propiedades antes solo teorizadas en forma matemática por el físico James C. Maxwell. La serie de experimentos tomo varios años en realizarse, pero fue extremadamente bien recibidos por la comunidad científica de la época, también abrió un mundo de posibilidades en lo que respecta al campo de telecomunicaciones ya que al comprobarse que estas ondas podían transmitir energía sin necesidad de un medio conductor, se abrió la posibilidad de las comunicaciones inalámbricas. En este documento se abordarán los temas de las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos descritas en las ecuaciones de Maxwell, como la serie de experimentos de Hertz comprobaron la existencia de las ondas electromagnéticas y sus propiedades. Se darán los resultados que se obtuvieron de realizar nosotros el primer experimento de Hertz, nuestra dificultades y recomendaciones. Introducción En el siguiente trabajo se presentará el informe sobre el experimento de Heinrich Hertz sobre Ondas electromagnéticas. Se explicarán conceptos clave. Se informará también sobre algunos pensamientos que derivaron a que Hertz realizara dicho experimento. Primero se dará a conocer un poco a cerca del genio detrás del experimento Heinrich Hertz (Hamburgo, 1857 -Bonn, 1894) Físico alemán que descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio y estudió la naturaleza y propiedades de las mismas, sentando las bases que llevarían a Marconi a una invención destinada a revolucionar las comunicaciones: la radio. En 1887, en un célebre experimento, Hertz logró transmitir ondas electromagnéticas entre un oscilador (antena emisora) y un resonador (antena receptora), confirmando experimentalmente las teorías del físico inglés James C. Maxwell sobre la identidad de características entre las ondas electromagnéticas. Se conocerá las ecuaciones Maxwell, con las que Hertz trabajo para constatar que Maxwell estaba en lo correcto y que las ondas se propagan de una antena emisora a una receptora, sin necesitar un medio conductor, creando una corriente eléctrica en la antena receptora. Motivación Lo que nos motivó a realizar este experimento fue el obtener conocimientos prácticos de los temas tratados en el curso de electrodinámica. También como estudiantes en telecomunicaciones este experimento nos ayuda a entender mejor el funcionamiento de las ondas electromagnéticas, tanto su generación como su propagación, lo que es de suma importancia para las comunicaciones inalámbrica que rigen las comunicaciones modernas, nos da también una introducción a los métodos de conexión entre antenas y a su diseño. Otro motivo es el poder observar de manera personal el funcionamiento de las ondas electromagnéticas. Y por supuesto que esto es una asignación que tiene una nota y deseamos salir bien en el curso.

Objetivos Objetivo General -Analizar el comportamiento de las ondas electromagnéticas. Objetivo específico -Explicar el experimento de ondas electromagnéticas de Hertz. -Demostrar que las ondas electromagnéticas viajan a través del espacio sin necesidad de un medio conductor hasta encontrar otro sistema (antena receptora)

Marco Teórico El experimento de Hertz del electromagnetismo, fue la evidencia experimental que soporto las teorías propuestas por James Clerk Maxwell, sobre sus ecuaciones del electromagnetismo y sus afirmaciones sobre la óptica. Para poder explicar cómo este experimento logro esto, es importante entender ambas las teorías propuestas por Maxwell como el desarrollo realizado por Heinrich Hertz. Las Ecuaciones de Maxwell y su teoría electromagnética La teoría electromagnética de Hertz fue la última pieza que unifico de una forma sencilla y elegante todos los fenómenos de electricidad y magnetismos observados hasta el momento, juntando el conocimiento y descubrimientos de otros grandes científicos, como Gauss, Ampere y Faraday. Esta teoría tomo forma en las ecuaciones de Maxwell, un conjunto de ecuaciones propuestas por el científico, primero fueron 20, que se simplificaron a 8 y posteriormente a 4 que son las que se estudian actualmente. Las cuales son: •

⃗ =𝜌 Ley de Gauss: 𝛻⃗ ∙ 𝐷

•

⃗ =0 Ley de Gauss para el magnetismo: 𝛻⃗ ∙ 𝐵

•

𝜕𝐵 Ley de Faraday 𝛻⃗ × 𝐸⃗ = − 𝜕𝑡

•

⃗ = 𝐽 + 𝜕𝐷 Ley de Ampere-Maxwell: 𝛻⃗ × 𝐻 𝜕𝑡

⃗

⃗

Con estas cuatro ecuaciones pueden describirse la mayoría de los fenómenos electromagnéticos, debido a que estas describen como las cargas e imanes perturban al campo electromagnético y como el campo se afecta a si mismo, esto mas centrado a como sus componentes eléctricas y magnéticas interactúan entre ellas. Se necesita explicar las propiedades que Maxwell teoriza que tienen los campos eléctricos y magnéticos, a través de estas ecuaciones para poder entender el porque del experimento de Hertz.

La ecuación de la ley de Gauss describe como las cargas eléctricas alteran al campo eléctrico, dictando que las cargas son fuentes de campo si son positivas y sumideros si son negativas, también describe como el campo eléctrico se atenúa con la distancia. La ecuación de la ley de Gauss para el magnetismo describe que no existen los monopolos magnéticos, por ende, el campo magnético siempre se cierra. La ecuación de Faraday describe como un campo magnético variable en el tiempo crea un campo ⃗ , que cambia el comportamiento linear de eléctrico rotacional, eso es lo que indica este símbolo ∇ un vector por uno circular. La ecuación de Ampere-Maxwell describe que ya sea una corriente en movimiento o un campo eléctrico variable en el tiempo generan un campo magnético rotacional. Las dos últimas ecuaciones son las más relevantes en lo que concierne al experimento de Hertz, ya que estas conectan los campos eléctricos y magnéticos de forma que las variaciones en el tiempo de cualquiera de los dos producen al otro, de esta forma acoplándolos y permitiendo que estos puedan transportar energía sin la necesidad de un conductor. Solución de las ecuaciones Cuando Maxwell resolvió sus ecuaciones dinámicas se encontró con otro gran descubrimiento, la solución de sus ecuaciones para el espacio libre, era una onda con componentes eléctricas y magnéticas, la onda electromagnética, entre las propiedades que posee esta onda maxwell descubre que la velocidad de propagación de esta es extremadamente cercana a la velocidad de la Luz que hasta el momento solo había sido medida prácticamente. Lo que lo lleva a teorizar que la Luz es una onda electromagnética.

Esta ecuación se puede solucionar para el caso de ondas planas, dándonos el siguiente resultado.

Donde al graficarlo se puede observar el acoplamiento de la componente de los campos, eléctrico y magnético.

El experimento de Hertz Heinrich Hertz con su experimento se proponía comprobar la existencia de campos invisibles para nosotros que pudieran transportar energía, y tuviera las mismas propiedades de los campos teóricos que expresaban las ecuaciones de Maxwell, no solo esto sino también demostrar prácticamente la teoría de ondas electromagnética que postulaba Maxwell, donde la luz formaba parte de este tipo de ondas.

Y también como la vibración de chispas crean un campo eléctrico y a su vez un campo electromagnético donde se inserta una carga que genera chispas que viajan en el espacio mediante ondas de propagación que viajan del punto emisor de la chispa hacia el punto receptor mediante el campo electromagnético.

Hertz desarrollo múltiples experimentos, uno de ellos consistía en tapas el receptor con pieza metálica, haciendo que las ondas producidas por el emisor quedaran estacionarias lo que l utilizo como medio para medir y verificar las ecuaciones de maxwell, al obtener landa como en la figura solo necesito obtener la frecuencia, está la obtuvo de la frecuencia de operación del circuito que producía la chispa, utilizando la capacitancia, inductancia y resistencias de este, y así obtener la velocidad y esta era 3x10 8 m/s que igualo a C (velocidad de la luz). Y por último desarrollo otro experimento en el interpuso un prisma en vez de un trozo de metal haciendo que las ondas tomaran distintas direcciones. Con estos experimentos no solo determino que la teoría de ondas electromagnéticas era una realidad, también que la luz era una onda de este tipo ya que compartían las mismas características. Desarrollo Experimental Construcción Para la elaboración del experimento se construyeron dos pares de antenas para actuar como antenas emisoras y receptoras respectivamente. Se utilizaron distintos tipos de fuentes para producir la chispa. Las bases de cada par de antenas tienen que estar separada para poder comprobar la distancia de propagación. En el diseño de la maqueta se contempla que la base en las que reposan los cables conductores tiene que ser buenos aislantes, de forma que se utilizó matera para la base, y tubos PVC para los brazos que sostienen los cables conductores. Las antenas emisoras se construyeron pegando láminas de papel aluminio a los extremos contrarios a donde se produce la chispa del cable conductor. Las antenas receptoras comparten el diseño solo que en la parte donde se generaría la chispa se colocó una LED y un neón, y no poseen láminas de papel aluminio. Con respecto a la generación de la chispa se intentaron distintos métodos para conseguirla. Se intento una utilizar un encendedor eléctrico, corriente alterna y una fuente de 10 KV, proporcionada por un compañero.

Materiales Cables conductores de cobre Tubos de PVC Base de madera Papel aluminio LED Neón Encendedor eléctrico Fuente de 10 KV Cable con terminal para conectar al suministro eléctrico, Experimento Este consiste de inducir una corriente variable en el conductor de las antenas emisoras, lo que provoca la creación de un campo magnético variable en el tiempo, la contribución de ambas, genera una onda electromagnética que se transmite a las antenas receptoras, esta onda induce una corriente en el conductor de las antenas receptoras lo que hace que teóricamente el LED o neón en las puntas de estas se encienda. Lo primero es crear una chispa en las antenas emisoras, se utilizaron tres fuentes, una es el encendedor eléctrico, se utilizó corriente alterna, y una fuente de 10 KV. Al crear la chispa y comprobar que el LED o el neón en las antenas receptoras se enciende, se puede iniciar a probar otras propiedades como la distancia de propagación, y que sucede al poner obstáculos entre las antenas. En nuestro experimento no se realizaron pruebas sobre las propiedades de reflexión de la onda o la velocidad de propagación, como en los experimentos originales de Hertz.

Resultados Primero con respecto a que fuente de voltaje creo una chispa, la única capaz de esto fue la de 10 KV, ni el encendedor eléctrico ni el voltaje de corriente alterna fueron suficientes para sobrepasar la resistividad del aire entre los conductores de las antenas emisoras, no solo la resistividad del aire tiene importancia sino también el consumo de corriente de la antena, nuestras antenas eran grandes por ende requerían un poco más de voltaje. Ahora en cuanto a cuál de los emisores de luz encendieron en las antenas emisoras, el único que encendió fue el neón, debido a que tiene un menor consumo de corriente para su funcionamiento que el LED. El neón puede necesitar tan solo 0.1 mA para funcionar, mientras que el LED necesita en promedio 5 mA para encender. Para finalizar referente a las propiedades de atenuación de la onda, se pudo observar que el brillo del neón disminuía visiblemente, cuando las antenas receptoras se alejaban de las emisoras, apagándose totalmente a una distancia de 20 cm aproximadamente, también se observó una ligera disminución del brillo cuando se introducía un obstáculo no reflectante, como cartón y papel, entra las antenas, supongo que si se introdujera un material como aluminio o una placa conductora se atenuaría más la energía de la onda electromagnética. Conclusiones En conclusión, este proyecto fue un éxito, se cumplieron los objetivos que se plantearon al inicio del informe, se pudo realizar el experimento de Hertz que demuestra que las ondas electromagnéticas existen y pueden transmitir energía sin necesidad de un conductor, se obtuvo un mejor entendimiento de como se produce y transmite una onda electromagnética, de los retos que conlleva esto y de las posibilidades que se crearon cuando fueron descubiertas de forma experimental. Se pudo observar algunas propiedades de estas ondas que fueron descritas por Maxwell en sus ecuaciones. Recomendaciones • Con respecto a la fuente conseguir una fuente de por lo menos 5 KV para asegurar la chispa en los terminales de las antenas emisoras. • Si es posible es mejor tener una fuente en el rango de los 3KV, para poder observar el fenómeno tanto con un neón como con un LED. • Si se piensa diseñar y armar un circuito como fuente casera, planear esto con suficiente tiempo y progresar de forma constante. • En cuanto al conductor en las antenas se recomienda cobre de calibre 8 no esmaltado. • Acerca de las laminas de aluminio en las antenas, si se requiere mayor brillo en el receptor, se recomienda también poner laminas en él. • Con respecto a medidas de seguridad se advierte que si la fuente es de voltaje muy alto esto puede producir arcos eléctricos bastante grandes si hay mucha separación en las terminales donde se produce la chispa. • A la hora de observar el fenómeno se recomienda estar en un cuarto oscuro para poder ver mejor la chipa y la activación del LED o el neón.

•

En otras medidas de seguridad, con la fuente que nosotros utilizamos la tierra donde se descargaba la corriente estaba expuesto, esto es algo que tener en cuenta, ya que presenta corrientes bastante altas en funcionamiento y también este mantiene bastante calor después de su uso.

Bibliografía https://fisicalandia.com/fisica-clasica/electromagnetismo-ecuaciones-de-maxwell/ https://es.jf-parede.pt/neon-lampsworking#:~:text=Por%20lo%20general%2C%20el%20voltaje,0%2C1%20y%2010%20mi liamperios. https://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/10/posts/descubrimiento-de-lasondas-de-radio-la-confirmacin-de-la-teora-electromagntica-10186 https://www.fceia.unr.edu.ar/revistaapfa/ARTICULOS_REVISTA/VOL102/HERTZ.pdf https://www.univie.ac.at/geographie/fachdidaktik/FD/site/external_htmls/imagers.gsfc.nasa .gov/ems/consider.html https://www.youtube.com/watch?v=UN37QEmW_ns https://www.youtube.com/watch?v=Y-XbsWEjyp0 https://www.youtube.com/watch?v=kx20kG6m-JA https://www.youtube.com/watch?v=_lrWIogPNFo

Anexos

Cable que se utilizo para conectar las antenas al suministro comercial.

Chispa en las terminales de las antenas emisoras.

El neón encendido en las antenas receptoras.

Fuente de 10 KV, que nos fue prestada por uno de nuestros compañeros.