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Dr. Ing. Walter G. FanoDr. Ing. Walter G. Fano
Ingeniería electromagnética, desde los Ingeniería electromagnética, desde los orígenes al presente. Aplicaciones.orígenes al presente. Aplicaciones.
Paseo Colón 850 (1063) Buenos Aires.Paseo Colón 850 (1063) Buenos [email protected]@ieee.org , , www.fi.uba.arwww.fi.uba.ar
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W. G. FanoW. G. Fano
Principales descubrimientos Principales descubrimientos de electricidad y magnetismode electricidad y magnetismo
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W. G. FanoW. G. Fano
221
4πεrqqF =
CoulombCoulomb establece la ley experimental en la que establece la ley experimental en la que se basa toda la teoría electromagnética se basa toda la teoría electromagnética
Ley inversa del cuadrado de la distancia (1785)
2rmMGF = Ley de Gravitación Universal
de Newton (1679)
Fuerza electroestática
Fuerza gravitatoria
Charles Charles AugustinAugustin CoulombCoulomb
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W. G. FanoW. G. Fano
F α θ
Balanza de torsión de Coulomb
Midió la fuerza electroestática
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W. G. FanoW. G. Fano
AlessandroAlessandro VoltaVolta
Pila de Volta (1800)
30 discos de metal, Cu y Znalternados, separados por cartón embebidos en soluciones ácidas o saladas.
Significó un avance tecnológico fundamental poder generar potenciales eléctricos.
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W. G. FanoW. G. Fano
Hans Christian Oersted
+ Batería - Batería
Estaba mostrando los efectos calóricos de la pila de Volta a los alumnos de física en la Universidad de Conpenhague, Dinamarca y descubrió que la aguja magnética se movía en las proximidades de una corriente eléctrica (1820).
Aguja de brújula
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W. G. FanoW. G. FanoJH =×∇
AndréAndré Marie AmpereMarie Ampere
Ic
=⋅∫ dlH
Establece que el campo magnético se origina por Establece que el campo magnético se origina por corrientes eléctricas.corrientes eléctricas.
Ampere (1820) (1820) formula matemáticamente el descubrimiento de Hans Christian Oersted.
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W. G. FanoW. G. Fano
Michael Michael FaradayFaraday
No tuvo educación formal
Trabajaba en una librería donde leía todos los libros científicos.
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W. G. FanoW. G. Fano
LineasLineas de fuerza de campo magnético de fuerza de campo magnético producidas por un imán permanenteproducidas por un imán permanente
Con esta imagen inventó el concepto de líneas de fuerza.Con esta imagen inventó el concepto de líneas de fuerza.
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W. G. FanoW. G. Fano
Descubrió la generación de corriente eléctrica en un inductor con núcleo de aire moviendo un imán (1831)1831).
Es el principio del generador
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W. G. FanoW. G. Fano
Inducción electromagnética (1831)Inducción electromagnética (1831)
Es el principio del transformadorEs el principio del transformador
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W. G. FanoW. G. Fano
t∂∂
−=×∇BE
dtdfem φ
−=
Este descubrimiento matematicamente se conoce como la Ley de Faraday o Ley de inducción electromagnética.Ley de inducción electromagnética.
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W. G. FanoW. G. Fano
Rotación electromagnética (1821)
Efecto Faraday o rotación de Faraday
Motor eléctrico
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W. G. FanoW. G. Fano
KarlKarl FriederickFriederick Gauss 1835 Gauss 1835
ρ=⋅∇ D
ρ=⋅∫ dvv
D
Formuló la ley que vincula el vector desplazamiento Formuló la ley que vincula el vector desplazamiento con la carga eléctrica encerrada en un volumen.con la carga eléctrica encerrada en un volumen.
Matemático y físico teórico
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W. G. FanoW. G. Fano
Maxwell 1873Maxwell 1873
JH =×∇t∂
∂+D
t∂∂
−=×∇BE
Introdujo la corriente de desplazamiento a la Ley de Introdujo la corriente de desplazamiento a la Ley de Ampere y logró la simetría entre las ecuaciones de E y Ampere y logró la simetría entre las ecuaciones de E y H en el espacio libre (dieléctrico).H en el espacio libre (dieléctrico).
Verifica continuidadcarga
t∂∂
=⋅∇ρJ
Matemático y físico teórico y experimental
Primer director del Laboratorio Cavendish, Cambridge
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W. G. FanoW. G. Fano
Maxwell unifica la electricidad, el magnetismo y la Maxwell unifica la electricidad, el magnetismo y la óptica, formulando la teoría de la onda óptica, formulando la teoría de la onda electromagnética.electromagnética.
Ecuaciones vectoriales Ecuaciones vectoriales donde E y H están donde E y H están acopladas, y conducen a acopladas, y conducen a la ecuación de onda.la ecuación de onda.
t∂∂
−=×∇BE
ρ=⋅∇ D
t∂∂
+=×∇DJH
0=⋅∇ B
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W. G. FanoW. G. Fano
DesmostróDesmostró la validez de la teoría de Maxwell. la validez de la teoría de Maxwell. Generó ondas electromagnéticas.Generó ondas electromagnéticas.Midió la frecuencia, longitud de onda y Midió la frecuencia, longitud de onda y vióvió que las que las
propiedades eran iguales a la de la onda luminosa.propiedades eran iguales a la de la onda luminosa.
Experimento de Hertz
HertzHertz 18881888
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W. G. FanoW. G. Fano
Experimento de Hertz
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W. G. FanoW. G. Fano
GuglielmoGuglielmo MarconiMarconi
1896 1896 Primer mensaje radiotelegráfico Primer mensaje radiotelegráfico encontrándose a 250 m del emisor.encontrándose a 250 m del emisor.
18991899 logró la comunicación entre Inglaterra logró la comunicación entre Inglaterra y Franciay Francia..
19011901 logró la primera comunicación entre logró la primera comunicación entre Inglaterra y Canadá.Inglaterra y Canadá.
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W. G. FanoW. G. Fano
Estación transmisora de Poldhu (1901)
Primer sistema Transmisor (1896)
Guglielmo Marconi
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W. G. FanoW. G. Fano
ReginaldReginald FessendenFessenden
Inventó la Telefonía inalámbrica.Inventó la Telefonía inalámbrica.
Inventó el generador de onda continua (CW) Inventó el generador de onda continua (CW) para transmisiones inalámbricas en lugar de para transmisiones inalámbricas en lugar de las chispas empleadas por las chispas empleadas por MarconiMarconi..
Alternador de 10kHz hasta 250 Alternador de 10kHz hasta 250 kHzkHz (1906).(1906).
Inventó el principio heterodino, fundamental en Inventó el principio heterodino, fundamental en radio comunicaciones, de uso común en la radio comunicaciones, de uso común en la actualidad.actualidad.
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W. G. FanoW. G. Fano
Receptor Registrador
Karl Jansky descubrió las radiaciones provenientes del núcleo galáctico
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W. G. FanoW. G. Fano
Ventanas en el espectro electromagnéticoVentanas en el espectro electromagnético
Antena rotativa y direccional de Karl Jansky para detectar la radiación galáctica (1935).
Dio origen a la radioastronomía
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W. G. FanoW. G. Fano
Aplicaciones electromagnéticas Aplicaciones electromagnéticas actualesactuales
Determinación de los parámetros físicos de materiales Determinación de los parámetros físicos de materiales mediante ondas E. M. mediante ondas E. M.
Estudio de materiales de estructura de banda o cristales Estudio de materiales de estructura de banda o cristales fotónicosfotónicos con ondas con ondas E.ME.M..
Los Los C.FC.F. se aplican a dispositivos ópticos, para mejorar . se aplican a dispositivos ópticos, para mejorar sus propiedades de funcionamiento.sus propiedades de funcionamiento.
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W. G. FanoW. G. Fano
CF 1DCF 2D
CF 3D
Tipos de cristales fotónicos
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W. G. FanoW. G. Fano
Cristal Cristal FotónicoFotónico 1D1D
N = 16
( )0µµ
εε== y
Medio 1 y 2 dieléctricos
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W. G. FanoW. G. Fano
Capa Nº 1 del CF.Capa Nº 1 del CF.
HE 0ωµj−=×∇
0=⋅∇ D
EH 1ωεj=×∇
0=⋅∇ B
00
==
ρJ
t∂∂
−=×∇BE
ρ=⋅∇ D
t∂∂
+=×∇DJH
0=⋅∇ B
Cristal Fotónico unidimensional (1D)
Excitación armónica
1εε =
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W. G. FanoW. G. Fano
Se obtienen las ecuaciones de Helmholtz en Zona 1
01022 =+∇ EE εµω
01022 =+∇ HH εµω
02022 =+∇ EE εµω
02022 =+∇ HH εµω
Analogamente para la Zona 2
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W. G. FanoW. G. Fano
kEz ˆ=E
02
1022 =+∇ EE321
β
εµω
yjyj BeAeyE ββ −+=)(
modo TEmodo TE
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W. G. FanoW. G. Fano
21)()(
yyyyyEyE
===
Condiciones de Borde de E y H
21
)()(
yyyy yyE
yyE
== ∂∂
=∂
∂
Finalmente se obtiene
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W. G. FanoW. G. Fano
DefinicionesDefiniciones
i
t
WWAtenuación =
0
n
BBt = Coeficiente de transmisión
del campo eléctrico
Coeficiente de transmisión de potencia
*2 tttT ⋅==
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W. G. FanoW. G. Fano
4 5 6 7 8 9 10 11 12−35
−30
−25
−20
−15
−10
−5
0
Computed Transmittance, ε r2
=1; ε r1
=3; σ1=σ
2=0
Frequency [GHz]
[dB]
Transmitancia calculada
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W. G. FanoW. G. Fano
Medición de Medición de PsalPsal y de y de PentPent
c
Antenatransmisora
Antenareceptora
Estructura multicapas
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W. G. FanoW. G. Fano
Antenas tipo bocinaAntenas tipo bocina
c
c
Antena transmisora
Antena receptora
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W. G. FanoW. G. Fano
Atenuación medida
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W. G. FanoW. G. Fano
Determinación de Determinación de εεrr’’TransmitanciaCalculada para
εr1’ = 3 εr2’ = 1
Atenuaciónmedida
c
c
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W. G. FanoW. G. Fano
Medición de la conductividad Medición de la conductividad σσPr1 sin la estructura
Pr2 con la estructura
α = Pr1- Pr2
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W. G. FanoW. G. Fano
Frecuencímetro HP5340A
Medidor de potencia HP435
Generador HP8690B
Instrumental
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W. G. FanoW. G. Fano
APLICACIONES DE LOS APLICACIONES DE LOS CRISTALES FOTONICOS DE CRISTALES FOTONICOS DE
DOS DIMENSIONES 2DDOS DIMENSIONES 2D
Referencia: http://ab-initio.mit.edu/photons/tutorial/
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W. G. FanoW. G. Fano
Guía de OndaGuía de Onda
Defecto
Reduce nolinealidad
Permite transmitir altas Potencias
Reduce absorción
Periodicidad
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W. G. FanoW. G. Fano
Curvas a 90º con 100% transmisión
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W. G. FanoW. G. Fano
Divisor de potencia
eficiencia≈100%
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W. G. FanoW. G. Fano
Acoplador direccional para ondas Acoplador direccional para ondas milimétricasmilimétricas
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W. G. FanoW. G. Fano
Actividades que se desarrollan en el Actividades que se desarrollan en el Departamento de Electrónica y en el Departamento de Electrónica y en el Departamento de Química (FIUBA).Departamento de Química (FIUBA).
Estudio de propiedades eléctricas y Estudio de propiedades eléctricas y magnéticas de ferritas de magnéticas de ferritas de NiZnNiZn y y MnZnMnZn. . Medición de tierras (suelos). Medición de tierras (suelos).
•• Medición de Medición de µµrr’ y ’ y µµrr” en función frec.” en función frec.•• Medición de Medición de εεrr’ y ’ y εεrr” en función frec.” en función frec.•• ModelizaciónModelización. . •• Simulación numérica.Simulación numérica.•• Aplicaciones.Aplicaciones.
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W. G. FanoW. G. Fano
Ferritas blandasFerritas blandas
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W. G. FanoW. G. Fano
Medición de la permeabilidadMedición de la permeabilidadmagnética relativa complejamagnética relativa compleja
Error relativo porcentual de µ complejo es aprox. 4%
1ln
2"'0
+−
=−
rRhj
ZZj SMMrr
πωµ
µµ
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W. G. FanoW. G. Fano
Medición de la temperatura de Medición de la temperatura de CurieCurie
ToroideD = 9mm d = 3.5mmN = 20 espiras h =2mm
=
dDln
2πhNµµ
L2
0r
( ) ( )TL cteTµr =
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W. G. FanoW. G. Fano