Física (también "Fundamentos Físicos de la Ingeniería", "Mecánica", "Electricidad").

Visualizador de ondas electromagnéticas

Marcos H. Giménez Valentín, Isabel Salinas Marín y Juan A. Monsoriu Serra

Introducción

El applet permite que el usuario seleccione diversos tipos de ondas electromagnéticas (polarizada horizontal, vertical o circularmente, sinusoidal o no, estacionaria o no) en distintos tipos de medios (heterogéneo o no, dispersivo o no, absorbente o no), y modifique sus valores característicos (amplitud, período, longitud de onda, velocidad).

El visor muestra una animación de la oscilación de los campos eléctrico (flechas de color rojo) y magnético (azul), así como la onda resultante.

El rango de frecuencias permitidas por la simulación cubre el de la luz visible. El rango de velocidades abarca desde el vacío hasta un medio de índice de refracción 3.

Objetivos

* Percibir la onda electromagnética como el resultado de oscilaciones en los campos eléctrico y magnético.

* Comprender que la amplitud y el período de la oscilación de los campos en un punto coinciden con los de la onda.

* Diferenciar los conceptos de período (tiempo para la repetición) y longitud de onda (distancia para la repetición).

* Comprobar que la velocidad de una onda sinusoidal es igual a su longitud dividida por su período.

* Verificar que el cociente entre la intensidad del campo eléctrico y la densidad del flujo magnético es igual a la velocidad de la onda.

* Distinguir las ondas estacionarias de las progresivas. Comprender los conceptos de nodo y antinodo.

* Visualizar cómo cambia la velocidad de la onda cuando al penetrar en un nuevo medio cambia su longitud.

* Comprobar cómo afecta el coeficiente de absorción a la amplitud de la onda.

* Comprobar cómo afecta a una onda no sinusoidal que el medio sea dispersivo (la forma de la onda varía) o no (dicha forma se mantiene).

Instrucciones

1. Situando el ratón sobre la mayor parte de los elementos de la interfaz aparece un globo con su descripción.

2. Arrastrando con el ratón se puede modificar el punto de vista en el visor. Se puede recuperar la perspectiva inicial pulsando sobre la opción "Restaurar vista" en el menú "Herramientas".

3. Las unidades utilizadas en la simulación son: el nanómetro (1nm=10^-9m), el femtosegundo (1fs=10^-15s), el megámetro por segundo (1Mm/s=10⁶m/s), el newton por coulomb (N/C) y el nanotesla (1nT=10^-9T).

4. En el panel "Tipo de onda y de medio" puede elegirse entre: onda sinusoidal o no sinusoidal (superposición de dos ondas sinusoidales); polarización horizontal, vertical o circular; onda estacionaria o no; medio heterogéneo o no; medio dispersivo o no; y medio absorbente o no. Si el medio es absorbente, puede seleccionarse el valor del coeficiente de absorción ; téngase en cuenta que la energía disminuye con la distancia x según el factor e^-ßx, por lo que la amplitud lo hace con e^-ßx/2.

5. Las deslizaderas del panel "Definición de la onda" controlan los parámetros característicos de la primera (o única) componente sinusoidal, así como de la segunda (sólo si se ha seleccionado que la onda sea no sinusoidal). Dichos parámetros son la amplitud de la componente magnética (constante si el medio no es absorbente; inicial si lo es), el período, la longitud de onda y la velocidad. Si se selecciona la opción "Medio heterogéneo", también se controlan la longitud de onda y la velocidad en el segundo medio.

6. Al seleccionar los valores, debe tenerse en cuenta que el período, la longitud de onda y la velocidad no son independientes. Por ese motivo, al variar uno de ellos se modifica también uno de los otros dos.

7. Si el medio es no dispersivo, la velocidad de la segunda componente sinusoidal de una onda ha de ser la misma que la de la primera, por lo que sólo se puede seleccionar su período. Si el medio es dispersivo, la segunda componente tiene su propia velocidad.

8. Los botones de la consola permiten detener el movimiento, pausarlo, ponerlo en marcha, y retroceder y avanzar de fotograma en fotograma. También se indican el instante actual y el período de la onda (mínimo común múltiplo de los períodos de las dos componentes, si las hay). La barra indica cuánto tiempo se lleva del período actual.

9. La opción "Reiniciar" en el menú "Herramientas" devuelve la simulación a su estado inicial.

Ejemplo

1. Con los valores por defecto, utilícese la consola para poner en marcha la simulación. Obsérvese cómo oscilan los vectores intensidad del campo eléctrico (color rojo) y densidad de flujo magnético (azul), y cómo se desplaza la sinusoide que conforman (la onda).

2. Selecciónese que la onda sea polarizada circularmente. Obsérvese en la animación cómo son ahora la onda y la oscilación de los campos.

3. Pruébese la opción de onda estacionaria con los distintos tipos de polarización.

4. Púlsese la opción "Reiniciar" en el menú "Herramientas". Actívese la opción de medio heterogéneo. Obsérvese que la velocidad de la onda se reduce en el segundo medio. Intercámbiense los valores de v y v' y obsérvense las consecuencias.

5. Desactívese la opción de medio heterogéneo, y actívese la de onda no sinusoidal. Compruébese que los valores para la primera componente son: amplitud 10'0nT, período 3'0fs, velocidad 300Mm/s; y para la segunda: amplitud 10'0nT y período 1'5fs. Nótese que ambas componentes tienen la misma velocidad, 300Mm/s. Póngase en marcha la simulación. Compruébese que la forma de la onda no es sinusoidal, pero que se mantiene al desplazarse hacia la derecha.

6. Actívese la opción de medio dispersivo. Nótese que ahora las dos componentes tienen distinta velocidad. Póngase en marcha la simulación. Compruébese que ahora la forma de la onda no se mantiene.

7. Desactívese la opción de onda no sinusoidal. Actívese la opción de medio absorbente. Pruébese el efecto de variar el valor del coeficiente de absorción.

Applet