¿Cómo se crean ondas electromagnéticas y se manipulan sus frecuencias?

Buena pregunta.

Fundamentalmente, la radiación electromagnética es generada por cargas aceleradas. Cualquier aceleración lo hará realmente, así que siempre que pueda manipular la velocidad de una carga, estará en el negocio. Pero, por supuesto, no recibirá radiación que sea de mucha utilidad en términos de transmisión de información. Necesitas una aceleración de cargos con buen comportamiento para eso.

En particular, si puede hacer que las cargas oscilen de un lado a otro, tiene una aceleración muy predecible que se repite después de un período de tiempo establecido. Esto produce radiación que también se repite, dándole una frecuencia característica. Ahora la pregunta es, ¿cómo oscila las cargas a una frecuencia característica única?

Resulta que esto no es difícil en absoluto usando circuitos eléctricos. Ciertos componentes del circuito cuando se juntan harán que las corrientes ‘suenen’ a una determinada frecuencia característica, muy similar a una campana cuando se golpea. Un circuito LC, por ejemplo, que consiste en un inductor (una bobina de alambre glorificada) y un condensador (un par glorificado de placas de metal separadas) puede producir corrientes oscilantes a una frecuencia fija.

Entonces, todo lo que tiene que hacer es armar un condensador con un inductor, colocar una diferencia de potencial en el circuito y obtener sus corrientes o cargas oscilantes. Bombee la corriente a una antena, que básicamente es un conductor de corrientes que ha sido diseñado para obtener la mayor cantidad de radiación posible de las cargas oscilantes, y tiene sus ondas electromagnéticas de cierta frecuencia. Si desea cambiar la frecuencia, todo lo que tiene que hacer en principio es cambiar la capacitancia o inductancia de su capacitor e inductor respectivamente.

Acabo de describir los conceptos básicos detrás del primer transmisor de radio utilizado, conocido como transmisor de chispa:

La bobina de sintonización y los frascos de Leyden funcionan como inductor y condensador respectivamente. Cuando se presiona la tecla del telégrafo, la batería proporciona una gran diferencia de potencial a través del espacio de chispa, lo que hace que se dispare una chispa entre sus terminales. Esto cierra el circuito y proporciona una diferencia potencial al circuito formado por la bobina y los frascos de Leyden. La corriente comienza a fluir a la frecuencia característica de este circuito, y la corriente se alimenta a la antena (antena) para su transmisión.

Hoy, por supuesto, las cosas son mucho más sofisticadas y hay muchas formas inteligentes de generar ondas EM. Pero lo básico es sorprendentemente simple, lo suficientemente simple como para que las personas construyan sus propios equipos de radio en casa. Simplemente no construya el transmisor de chispa que se muestra arriba: produce una señal que ocupa demasiado ancho de banda y es ilegal para su uso en la mayoría de los países.

(Esto está algo simplificado, pero pasé años aprendiendo esto y no puedo enseñarlo todo en los pocos minutos que pasará leyéndolo)

Una estación de radio consiste básicamente en dos partes: un estudio y una cabaña de transmisor con la antena pegada encima o muy cerca.

En el estudio hay un micrófono, una platina de casete y un reproductor de CD (y otros dispositivos de almacenamiento de medios) y algún otro equipo que se conecta a algunos cables que se conectan a la “cabaña del transmisor” donde sucede toda la diversión.

La antena está hecha de metal, y los metales tienen una gran cantidad de electrones que pueden moverse libremente (es por eso que “conducen” la electricidad).

Está conectado a un “tubo transmisor” que es básicamente una gran botella de vidrio llena de vacío que pasa una gran corriente de partículas llamadas electrones. Tienen esta misteriosa cualidad llamada “carga” que les permite “sentir” voltajes eléctricos, que es lo que los empuja a través del tubo.

Esa corriente está controlada por un tubo más pequeño que está conectado a un circuito eléctrico llamado “resonador” que suena como una campana en una sola frecuencia, siempre y cuando la energía esté conectada a él. Dentro de ese tubo hay una cosita metálica que está conectada de nuevo al micrófono en el estudio. Cuando alguien habla por el micrófono o reproduce música o un comercial en una de las cubiertas, el sonido se convierte en un voltaje en esa cosa metálica que cambia (modula) cómo fluye la corriente a través del tubo. Para AM, otros circuitos hacen que la señal cambie la cantidad de corriente (la “amplitud”), pero para FM los circuitos cambian la frecuencia con la que el oscilador suena un poco. Es posible construir circuitos que puedan hacer ambas cosas, pero las estaciones de radio no los usan. Para cambiar todo un montón de cosas tendría que ser arrancado y reemplazado.

Para resumir, hablas por el micrófono y la señal hace que la frecuencia o amplitud de un oscilador cambie, y esa señal AM o FM se amplifica (se hace más grande) y se transmite a la antena.

La señal amplificada empuja los electrones en la antena muy rápidamente. Su carga también proyecta su propio campo eléctrico en el espacio. Normalmente no lo notas porque cuando no los molestas con una señal, simplemente se sientan distribuidos uniformemente por todo el metal, y la carga opuesta en el núcleo de los átomos de metal cancela los campos de los electrones exactamente.

Entonces, todos estos electrones se mueven rápidamente de un lado a otro en la antena y sus campos eléctricos se agitan en el espacio cerca de la antena. Esas son “ondas electromagnéticas”, y se denominan “campo cercano” si la antena es cualquier cable viejo, no van a ninguna parte. Si la antena tiene la longitud adecuada en comparación con la frecuencia con la que se mueven, las ondas pueden liberarse y generar el “campo lejano” formado por ondas que se propagan para que usted pueda recogerlas en un receptor a millas de distancia.

Los transmisores típicos de AM y FM usan resonadores hechos de bobinas de alambre y condensadores que puede manejar con sus manos (para estaciones de alta potencia necesitará un elevador de horquilla), pero si desea meterse en el microondas necesita usar un horno completamente diferente tipo de tubo oscilador con el resonador incorporado porque la cantidad de tiempo que los electrones pasan para llegar de un extremo al otro ahora está muy cerca o es igual a la frecuencia que desea transmitir. Por lo general, no necesitará un amplificador, porque es más fácil hacerlo todo en un solo tubo. También tendrá que acortar la antena y probablemente usar algún tipo de reflector para hacer un haz, a menos que esté contento rociando microondas en todas las direcciones.

Y no, no es seguro, así se inventaron los hornos de microondas.

Y sí, puede transmitir AM y FM en microondas usando diferentes circuitos a su alrededor.

Para generar luz roja modulada, tendrá que deshacerse de los tubos y la antena por completo porque la longitud de onda es demasiado corta para tales tecnologías. Ahora estás hablando de diodos láser que son realmente difíciles para FM, aunque AM es bastante fácil. Son difíciles de FM porque la longitud física del diodo determina cómo resuena y, que yo sepa, nadie ha descubierto cómo cambiarlo lo suficientemente rápido como para ser útil sin romperlo. Algunos diodos pueden cambiar su frecuencia con la temperatura, pero de nuevo, tendrías que alternar rápidamente la explosión con nitrógeno líquido y aire realmente caliente, lo que no es muy práctico.

En esos, las ondas provienen de los electrones en un pequeño cristal de material semiconductor como el aluminio-galio-arseniuro (“semiconductor” significa que los electrones en el interior no son tan libres de moverse como en un metal, pero lo hacen fácilmente bajo ciertas condiciones circunstancias) generando las ondas dentro del cristal. No son detectables fuera del cristal ya que rebotan en los extremos del cristal hacia adelante y hacia atrás (como los electrones en una antena) hasta que son lo suficientemente fuertes como para filtrar un extremo y hacer el rayo láser habitual.

Para que eso suceda, todo lo que tiene que hacer es pasar electrones a través de él: puede AM directamente modulando la corriente de conducción con un micrófono, o hay dispositivos externos que puede usar para modular la luz después de que salga del láser.

Con la tecnología actual, la mayoría de las ondas electromagnéticas en las frecuencias de radio se crean utilizando un circuito electrónico conocido como DSP – procesamiento digital de señales. Incluso tu teléfono móvil hace eso. Aquí hay una descripción de un sistema simple, ya que los sistemas reales pueden ser más complejos y utilizar otros componentes. Con DSP, si puede dibujar la forma de onda de la señal a medida que se mueve con el tiempo debido a la frecuencia y su elección de modulación, puede crear una secuencia de números digitales que correspondan a muestras de la amplitud de la señal en pasos sucesivos y de muy poco tiempo. Esas muestras deben repetirse a una velocidad superior al doble de la frecuencia más alta involucrada. Ahora que tiene una señal digital, puede convertirla de digital a analógica (convertidor D / A), amplificarla y conectarla a la antena. La antena es un dispositivo que convierte una señal en una onda.

Todo esto es fácil. El desafío es cumplir con los requisitos de tamaño, costo, consumo de energía y evitar transmisiones espurias fuera de su banda con licencia. Ese es nuestro trabajo, los ingenieros.

Bueno, estás hablando de conversión de frecuencia.

Un ejemplo simple, tiene baja frecuencia (por ejemplo, 1MHz) y desea moverla a tera hertz.

Si modula la amplitud de la fuente de tera hertz (que es un láser uv-vis-ir) con su señal de baja frecuencia, obtendrá nuevas ondas EM alrededor de la fuente de tera hertz con incrementos que dependen de la baja frecuencia (en nuestro caso, 1 MHz )

Hay formas más interesantes y fascinantes de lograrlo. buscar la conversión de frecuencia

No “manipulas” su frecuencia, le das su frecuencia cuando la creas. Hay muchas formas diferentes de crear una onda EM; Todos implican cargos de mudanza .

Las ondas electromagnéticas se pueden crear fácilmente a través de un circuito eléctrico oscilante. Este circuito consta de resistencias, transistores, inductores y condensadores. En tales circuitos, el voltaje y la corriente son diferentes en alguna fase debido a que las cargas o electrones se aceleran de un lado a otro, lo que crea ondas e y las transmite.
Espero que esta sea la respuesta a tu pregunta.

Las ondas electromagnéticas se crean dentro del campo electromagnético debido a la oscilación cuántica, si va a las ocho ecuaciones de Maxwell encontrará que este campo está claramente relacionado con la densidad de carga, donde la carga es la fuente del EMF. Estas ondas electromagnéticas como la luz tienen diferentes longitudes de onda entonces tiene una frecuencia diferente porque f = c / l, donde c es la velocidad de la luz, es constante y l es la longitud de onda, que es la distancia entre las dos crestas o canales adyacentes.

Cualquier cambio en un campo electromagnético crea ondas electromagnéticas. Entonces, si coloca un imán de cocina en la cola de su perro y ella mueve la cola, enviará ondas electromagnéticas. Si le toma un segundo hacer una oscilación completa, creará una onda de un Hz y una longitud de onda de casi 300,000 km.

Para que una radio real envíe mensajes al espacio, la forma más simple es variando la corriente eléctrica a través de un cable. Si puede manipular la velocidad a la que ocurren los cambios, puede manipular la frecuencia de las ondas.

Haces un simple transmisor de radio:

Reinventar la radio: construir un transmisor de radio