XVII. EMISI�N DE ONDAS ELECTROMAGN�TICAS. ANTENAS

UNA vez que Maxwell predijo la existencia de ondas electromagn�ticas se present� la importante cuesti�n de c�mo generarlas. Hertz fue el primero que estudi� este problema y lo resolvi�. Para ello desarroll� un formalismo matem�tico con el cual pudo encontrar las caracter�sticas de estas ondas a partir de las ecuaciones de Maxwell. De este trabajo se desprendi� la predicci�n de que si una part�cula el�ctricamente cargada se mueve en forma acelerada, entonces emite ondas electromagn�ticas. As�, por ejemplo, en el experimento de Hertz la chispa que salta de una esfera a la otra (Figura 29) est� compuesta de electrones acelerados que emiten ondas electromagn�ticas.

Cuando una corriente el�ctrica se establece a lo largo de un cable se est�n moviendo part�culas cargadas. Sin embargo, no siempre ocurre que estas part�culas se aceleren; por ejemplo, si la corriente es de valor constante como la corriente directa que se establece cuando la fuente es una bater�a conectada a un foco de una linterna, entonces las part�culas que dan lugar a la corriente el�ctrica se mueven con velocidad constante y por tanto no se est�n acelerando. Una part�cula experimenta una aceleraci�n cuando su velocidad cambia al transcurrir el tiempo. En consecuencia, solamente en una corriente el�ctrica que var�a al transcurrir el tiempo, las part�culas se aceleran. Esto sucede, por ejemplo, con la corriente alterna.

Sup�ngase que una varilla met�lica se conecta a una fuente de corriente alterna. Los electrones que circulan por la varilla llegar�n a su extremo y se regresar�n; por consiguiente, su velocidad cambia y hace que se aceleren, y en consecuencia emiten ondas electromagn�ticas. Esta onda as� emitida tendr� la misma frecuencia de los electrones que oscilan en la varilla.

El elemento que produce las ondas se llama antena emisora. En el caso anterior la antena es la varilla.

Adem�s de varillas las antenas pueden tener otras configuraciones. Las caracter�sticas que tengan las ondas emitidas depender�n de la forma geom�trica y de la longitud de la antena. As�, en el caso de una varilla, las ondas emitidas tienen la misma frecuencia que la corriente que las induce. A esta frecuencia f le corresponde un longitud de ondal dada por (u/ f), siendo v la velocidad de la luz ( ecuaci�n antes mencionada). Por otro lado, la potencia de la onda emitida depende tanto de la longitud de onda l como de la longitud L de la varilla. La potencia que emite adquiere un valor m�ximo cuando la longitud de la varilla es igual a la mitad de la longitud de onda. En consecuencia, conviene construir la antena con esta longitud. Este hecho es una manifestaci�n del fen�meno de resonancia.

La antena no emite la misma potencia en todas las direcciones; a lo largo de la antena (Figura 32) no hay emisi�n. En una direcci�n perpendicular a la varilla se alcanza la potencia m�xima; de hecho, alrededor de la direcci�n perpendicular se forma un cono dentro del cual la emisi�n es apreciable; en direcciones fuera del cono pr�cticamente no hay radiaci�n. A este tipo de antenas se les llama direccionales.

Figura 32. Una antena de varilla emite ondas electromagn�ticas direccionalmente; la m�xima potencia se env�a en direcci�n perpendicular a la varilla.

Supongamos que, por ejemplo, se quiere emitir (o recibir) una onda de televisi�n que corresponde al canal 2. �sta tiene una frecuencia de 57 MHz y le corresponde, seg�n la ecuaci�n mencionada arriba, una longitud de onda de 5.26 m. Por tanto, la antena tiene que tener una longitud de 5.26 m/2 = 2.63 m para obtener una potencia m�xima de emisi�n.

La anchura del cono es una medida del ancho del haz que se emite. Mientras m�s peque�o sea el haz, m�s direccional ser� la emisi�n de la antena. El ancho del haz depende de la frecuencia de la onda: mientras menor sea �sta, menor ser� el ancho del haz.

Cuando a una varilla le llega una onda electromagn�tica, �sta induce en la varilla una corriente el�ctrica que tiene la misma frecuencia que la de la onda incidente. Cualquier dispositivo, como la varilla, que transforma una onda electromagn�tica en una corriente el�ctrica se llama antena receptora.

Las antenas, ya sean receptoras o emisoras, funcionan con las mismas caracter�sticas. As�, las propiedades direccionales de la recepci�n en una antena receptora son las mismas que si funcionara como emisora. Adem�s, una antena receptora absorbe la m�xima potencia cuando su longitud es igual a la mitad de la longitud de onda que tiene la onda incidente.

El tipo de antena que se use, ya sea para emisi�n o recepci�n, depende de la aplicaci�n que se quiera hacer. Por ejemplo, en el caso de una estaci�n de radio o de televisi�n se requiere que pueda llegar a receptores situados en todas las direcciones con respecto a la antena; adem�s, la se�al emitida debe llegar lo m�s lejos posible. En consecuencia, una antena emisora de una estaci�n debe poder manejar potencias altas y radiarlas en todas direcciones. En contraste, la antena receptora maneja potencias muy peque�as, ya que est� relativamente lejos de la emisi�n. Adem�s, la antena receptora debe ser muy direccional, pues debe captar la se�al de la emisi�n que viene de una direcci�n determinada. Por esto, las antenas emisoras tienen formas geom�tricas diferentes de las antenas receptoras.