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Línea lasciva

Línea Lecher de principios de 1902, idéntica al aparato original de Ernst Lecher de 1888. Las ondas generadas por el oscilador de chispa hertziano a la derecha se acoplan a los ...

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Línea Lecher de principios de 1902, idéntica al aparato original de Ernst Lecher de 1888. Las ondas generadas por el oscilador de chispa hertziano a la derecha se acoplan a los cables mediante los dos condensadores de placas metálicas (círculos) y viajan a través de los cables paralelos. Los cables están en cortocircuito en el extremo izquierdo, reflejando las ondas de vuelta hacia arriba, hacia el oscilador, creando una onda estacionaria de voltaje a lo largo de la línea. El voltaje se reduce a cero en los nodos ubicados a múltiplos de media longitud de onda desde el extremo. Los nodos se encontraron deslizando un tubo Geissler , un pequeño tubo de descarga luminiscente similar a una luz de neón, hacia arriba y hacia abajo de la línea (dos se muestran en la línea). El alto voltaje en la línea hace que el tubo brille. Cuando el tubo llega a un nodo, el voltaje se reduce a cero y el tubo se apaga. La distancia medida entre dos nodos sucesivos es igual a la mitad de la longitud de onda λ/2 de las ondas de radio. La línea se muestra truncada en el dibujo; La longitud de la línea era de 6 metros (18 pies). Las ondas producidas por el oscilador se encontraban en la banda VHF , con una longitud de onda de varios metros. La imagen insertada muestra los tipos de tubos Geissler utilizados con las líneas Lecher.
Kit educativo Lecher-line, comercializado por Central Scientific Company en la década de 1930 para la enseñanza de la teoría de la radio en la universidad. Contiene todo lo necesario, incluyendo un medidor de absorción de ondas para medir la frecuencia de forma independiente.

En electrónica , una línea Lecher o cables Lecher son un par de cables o varillas paralelas que se utilizaban para medir la longitud de onda de las ondas de radio , principalmente en frecuencias VHF , UHF y de microondas . [ 1 ] [ 2 ] Forman un tramo corto de línea de transmisión balanceada (un segmento resonante ). Al conectarse a una fuente de potencia de radiofrecuencia, como un transmisor de radio, las ondas de radio forman ondas estacionarias a lo largo de su longitud. Al deslizar una barra conductora que une los dos cables a lo largo de su longitud, se puede medir físicamente la longitud de las ondas. El físico austriaco Ernst Lecher , mejorando las técnicas utilizadas por Oliver Lodge [ 3 ] y Heinrich Hertz , [ 4 ] desarrolló este método de medición de longitud de onda alrededor de 1888. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Las líneas de Lecher se utilizaron como dispositivos de medición de frecuencia hasta que se dispuso de contadores de frecuencia económicos después de la Segunda Guerra Mundial. También se utilizaron como componentes , a menudo llamados " stubs resonantes ", en equipos de radio VHF, UHF y microondas , como transmisores , equipos de radar y televisores , sirviendo como circuitos tanque , filtros y dispositivos de adaptación de impedancia. [ 8 ] Se utilizan en frecuencias entre HF / VHF , donde se utilizan componentes concentrados , y UHF / SHF , donde las cavidades resonantes son más prácticas.

Medición de longitud de onda

Una línea Lecher es un par de cables o varillas paralelas sin aislamiento, separadas a una distancia precisa. [ 9 ] [ 1 ] [ 10 ] La separación no es crítica, pero debe ser una pequeña fracción de la longitud de onda; varía desde menos de un centímetro hasta más de 10  cm. La longitud de los cables depende de la longitud de onda involucrada; las líneas utilizadas para la medición suelen tener varias longitudes de onda. El espaciado uniforme de los cables los convierte en una línea de transmisión , que conduce ondas a una velocidad constante muy cercana a la velocidad de la luz . [ 10 ] Un extremo de las varillas está conectado a la fuente de potencia de RF , como la salida de un transmisor de radio . En el otro extremo, las varillas están conectadas entre sí mediante una barra conductora. Esta terminación en cortocircuito refleja las ondas. Las ondas reflejadas desde el extremo en cortocircuito interfieren con las ondas salientes, creando una onda estacionaria sinusoidal de voltaje y corriente en la línea. El voltaje se aproxima a cero en los nodos ubicados a múltiplos de media longitud de onda del extremo, con máximos llamados antinodos ubicados a medio camino entre los nodos. [ 11 ] Por lo tanto, la longitud de onda λ se puede determinar encontrando la ubicación de dos nodos (o antinodos) sucesivos, midiendo la distancia entre ellos y multiplicando por dos. La frecuencia f de las ondas se puede calcular a partir de la longitud de onda y la velocidad de las ondas, que es aproximadamente la velocidad de la luz c :

F=doλ{\displaystyle f={\frac {c}{\lambda }}\,}

Los nodos son mucho más pronunciados que los antinodos, porque el cambio de voltaje con la distancia a lo largo de la línea es máximo en los nodos, por lo que se utilizan. [ 10 ] [ 9 ]

Encontrar los nodos

Se emplean dos métodos para encontrar los nodos. [ 11 ] Uno es usar algún tipo de indicador de voltaje, como un voltímetro de RF o una bombilla , conectado a un par de contactos que se deslizan hacia arriba y hacia abajo de los cables. [ 12 ] [ 11 ] Cuando la bombilla llega a un nodo, el voltaje entre los cables se vuelve cero, por lo que la bombilla se apaga. Si el indicador tiene una impedancia demasiado baja, perturbará la onda estacionaria en la línea, por lo que debe usarse un indicador de alta impedancia ; una bombilla incandescente común tiene una resistencia demasiado baja. Lecher y los primeros investigadores usaron tubos Geissler largos y delgados , colocando el tubo de vidrio directamente sobre la línea. El alto voltaje de los primeros transmisores excitaba una descarga luminiscente en el gas. En la actualidad, a menudo se usan pequeñas bombillas de neón . Un problema con el uso de bombillas de descarga luminiscente es que su alto voltaje de encendido dificulta la localización del mínimo de voltaje exacto. En medidores de ondas de precisión se usa un voltímetro de RF.

El otro método utilizado para encontrar los nodos es deslizar la barra de cortocircuito de terminación hacia arriba y hacia abajo de la línea, y medir la corriente que fluye hacia la línea con un amperímetro de RF en la línea de alimentación. [ 9 ] [ 11 ] La corriente en la línea Lecher, al igual que el voltaje, forma una onda estacionaria con nodos (puntos de corriente mínima) cada media longitud de onda. Por lo tanto, la línea presenta una impedancia a la potencia aplicada que varía con su longitud; cuando un nodo de corriente se encuentra en la entrada de la línea, la corriente extraída de la fuente, medida por el amperímetro, será mínima. La barra de cortocircuito se desliza hacia abajo de la línea y se anota la posición de dos mínimos de corriente sucesivos, la distancia entre ellos es media longitud de onda.

Con cuidado, las líneas de Lecher pueden medir la frecuencia con una precisión del 0,1%. [ 9 ] [ 1 ] [ 10 ]

Construcción

Medidor de ondas de línea Lecher, del artículo "DIY" de la revista de radio de 1946.

Una de las principales ventajas de las líneas Lecher era que permitían medir la frecuencia sin electrónica compleja y podían improvisarse con materiales sencillos que se encuentran en cualquier tienda. Los medidores de onda de línea Lecher suelen construirse sobre un marco que mantiene los conductores rígidos y horizontales, con una pista sobre la que se desliza la barra de cortocircuito o el indicador, y una escala de medición incorporada para poder leer la distancia entre nodos. [ 9 ] El marco debe estar hecho de un material no conductor como la madera, ya que cualquier objeto conductor cerca de la línea puede perturbar el patrón de onda estacionaria. [ 9 ] La corriente de RF generalmente se acopla a la línea a través de una espira de alambre de una sola vuelta en un extremo, que puede mantenerse cerca de la bobina tanque de un transmisor .

Un diseño más simple consiste en una barra metálica en forma de U, marcada con graduaciones, con una barra de cortocircuito deslizante. [ 1 ] En funcionamiento, el extremo en U actúa como un enlace de acoplamiento y se mantiene cerca de la bobina tanque del transmisor, y la barra de cortocircuito se desliza a lo largo de los brazos hasta que la corriente de placa del transmisor disminuye, lo que indica que se ha alcanzado el primer nodo. Entonces, la distancia desde el extremo del enlace hasta la barra de cortocircuito es media longitud de onda. La barra de cortocircuito siempre debe deslizarse hacia afuera , alejándose del extremo del enlace, no hacia adentro , para evitar converger por error en un nodo de orden superior.

En muchos sentidos, las líneas de Lecher son una versión eléctrica del experimento del tubo de Kundt , que se utiliza para medir la longitud de onda de las ondas sonoras .

Midiendo la velocidad de la luz

Si se conoce de forma independiente la frecuencia f de las ondas de radio, la longitud de onda λ medida en una línea de Lecher se puede utilizar para calcular la velocidad de las ondas, c , que es aproximadamente igual a la velocidad de la luz :

do=λF{\displaystyle c=\lambda f\,}

En 1891, el físico francés Prosper-René Blondlot realizó la primera [ 13 ] medición de la velocidad de las ondas de radio, utilizando este método. [ 14 ] [ 15 ] Utilizó 13 frecuencias diferentes entre 10 y 30 MHz y obtuvo un valor promedio de 297 600  km/s, que está dentro del 1 % del valor actual para la velocidad de la luz. [ 13 ] Otros investigadores repitieron el experimento con mayor precisión. Esto fue una confirmación importante de la teoría de James Clerk Maxwell de que la luz era una onda electromagnética como las ondas de radio.

Otras aplicaciones

Oscilador experimental de Barkhausen-Kurz  de 300 MHz en 1933, con circuitos tanque de línea Lecher. El experimentador está utilizando un medidor de ondas Lecher en forma de U para medir la frecuencia.
La línea de Lecher como circuito tanque en un amplificador de RF . En este diagrama simplificado no se muestran las bobinas de choque que alimentan los ánodos de los tubos desde la fuente de alta tensión. Sin ellas, los dos ánodos quedan en cortocircuito.

Los tramos cortos de línea Lecher se utilizan a menudo como circuitos resonantes de alto factor Q , denominados stubs resonantes . Por ejemplo, un stub corto de línea Lecher de un cuarto de longitud de onda (λ/4) actúa como un circuito resonante paralelo, presentando una alta impedancia en su frecuencia de resonancia y una baja impedancia en otras frecuencias. Se utilizan porque, a frecuencias UHF, el valor de los inductores y condensadores necesarios para los circuitos sintonizados de componentes concentrados se vuelve extremadamente bajo, lo que dificulta su fabricación y los hace sensibles a la capacitancia e inductancia parásitas . Una diferencia entre ellos es que los stubs de línea de transmisión, como las líneas Lecher, también resuenan en múltiplos impares de su frecuencia de resonancia fundamental, mientras que los circuitos LC de componentes concentrados solo tienen una frecuencia de resonancia.

circuitos tanque de amplificadores de potencia

Los circuitos de línea Lecher se pueden utilizar para los circuitos tanque de los amplificadores de potencia UHF . [ 16 ] Por ejemplo, el  amplificador de doble tetrodo (QQV03-20) de 432 MHz descrito por GR Jessop [ 17 ] utiliza un tanque de ánodo de línea Lecher.

Sintonizadores de televisión

Las líneas Lecher de cuarto de onda se utilizan para los circuitos sintonizados en las secciones de amplificador de RF y oscilador local de los televisores modernos . La sintonización necesaria para seleccionar diferentes estaciones se realiza mediante diodos varactores conectados en paralelo a la línea Lecher. [ 18 ]

Impedancia característica de la línea de Lecher

La separación entre las barras de Lecher no afecta la posición de las ondas estacionarias en la línea, pero sí determina la impedancia característica , que puede ser importante para adaptar la línea a la fuente de energía de radiofrecuencia para una transferencia de potencia eficiente. Para dos conductores cilíndricos paralelos de diámetro d y separación D ,

Z0=276registro⁡(Dd+(Dd)2−1)={\displaystyle Z_{0}=276\log \left({\frac {D}{d}}+{\sqrt {\left({\frac {D}{d}}\right)^{2}-1}}\right)=}120ϵraporrear−1⁡(Dd){\displaystyle {\frac {120}{\sqrt {\epsilon _{r}}}}\cosh ^{-1}\left({\frac {D}{d}}\right)}

Para cables paralelos, la fórmula para la capacitancia (por unidad de longitud) C es

do=πϵ0ϵrln⁡(2Dd){\displaystyle C={\frac {\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}}{\ln {\left({\frac {2D}{d}}\right)}}}\,}

Por lo tanto como

Z02=Ldo{\displaystyle Z_{0}^{2}={\frac {L}{C}}}
do=1Ldo⋅do2=1Z0⋅(πϵ0ϵr)⋅ln⁡(2Dd){\displaystyle {\begin{aligned}c&={\frac {1}{\sqrt {{\frac {L}{C}}\cdot C^{2}}}}\\&={\frac {1}{Z_{0}\cdot \left(\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}\right)\cdot \ln \left({\frac {2D}{d}}\right)}}\end{aligned}}}

Los cables de alimentación de cinta balanceados de doble conductor de 300 y 450 ohmios disponibles comercialmente se pueden utilizar como una línea Lecher de longitud fija (stub resonante).

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 Endall, Robert (septiembre de 1946). "Medición de frecuencia en UHF" (PDF) . Radio News . 36 (3). Nueva York: Ziff-Davis Publishing: 52, 94– 96. Recuperado el 24 de marzo de 2014 .
  2. ↑ Graf, Rudolph F. (1999). Diccionario moderno de electrónica . Newnes. pág. 419. ISBN  0-7506-9866-7.
  3. ↑ Lodge, Oliver (1907). Modern Views of Electricity, 3rd Ed . Londres: MacMillan and Co. pp. 235 . 
  4. ↑ Hertz, Heinrich (1891). "Teoría de las ondas estacionarias en cables". Wiedemann Annalen . 8 : 407.
  5. ↑ Fleming, John Ambrose (1908). Los principios de la telegrafía por ondas eléctricas . Londres: Longmans, Green & Co. pp. 264–270 . 
  6. ↑ E. Lecher (1888) "Eine studie uber electrische Resonanzerscheinungen" ( Estudio de los fenómenos de resonancia eléctrica ), Wiedemann Annalen , vol. 41, pág. 850, citado en Fleming, 1908 .
  7. ↑ Thomson, Joseph John (1911). "Ondas eléctricas" . En Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica . Vol. 09 (11.ª ed.). Cambridge University Press. págs. 203–208 , véase la página 207. § 9. Ondas en cables.—...    
  8. ↑ Basu, Dipak (2001). Diccionario de física pura y aplicada . CRC Press. pág. 206. ISBN  0-8493-2890-X.
  9. 1 2 3 4 5 6 ARRL (1942). Manual del radioaficionado, 19.ª ed . Hartford, CN: The American Radio Relay League, Inc. págs. 350–351 . 
  10. 1 2 3 4 Terman, Frederick Emmonds (1943). Manual del ingeniero de radio . McGraw-Hill Book Co. págs. 952–953 . 
  11. 1 2 3 4 Barr, DL (julio de 1932). "Demostración de olas cortas" (PDF) . Short Wave Craft . 3 (3). Nueva York: Popular Book Corp.: 153. Recuperado el 23 de marzo de 2014 .
  12. ↑ Franklin, William Suddards (1909). Ondas eléctricas: Un tratado avanzado sobre la teoría de la corriente alterna . Nueva York: MacMillan. págs. 125-129 . 
  13. 1 2 "Los cables paralelos y las ondas estacionarias de René Blondlot" . La velocidad de la luz . Sociedad de Científicos Aficionados de Nueva Jersey. 2002. Recuperado el 25 de diciembre de 2008 ., atribuido a KD Froome y L. Essen, "La velocidad de la luz y las ondas de radio", Academic Press, 1969
  14. ↑ "Longitud de las ondas eléctricas" . El ingeniero eléctrico . 8. Londres: The Electrical Engineer, Ltd.: 482, 20 de noviembre de 1891. Consultado el 25 de diciembre de 2008 .
  15. ↑ Deaton, Jennifer; Tina Patrick; David Askey (2002). "Historia de la velocidad de la luz" (PDF) . Junior Lab . Departamento de Física. Universidad de Oklahoma . Recuperado el 25 de diciembre de 2008 .pág. 15
  16. ↑ Gupta, KC (2003). Microondas . New Age Publishers. págs. 36–37 . ISBN  0-85226-346-5.
  17. ↑ GR Jessop, Manual VHF UHF , RSGB, Potters Bar , 1983, ISBN 0-900612-92-4
  18. ↑ Ibrahim, KF; Eugene Trundle (2007). Guía Newnes de tecnología de televisión y vídeo . Newnes. págs. 224–225 . ISBN  978-0-7506-8165-0.
  • " Índice de demostraciones de física; cables Lecher . Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine ". Demostraciones de física, Universidad de Minnesota. 16 de junio de 1997.
  • " E-82. Radiación electromagnética; aparato de demostración de onda corta ". Electricidad/Magnetismo, demostraciones en clase. Universidad de Purdue.
  • MB Allenson, AR Piercy y KNR Taylor " Un experimento mejorado con alambre Lecher ". 1973 Física. Educativo. 8 47-49. doi : 10.1088/0031-9120/8/1/002 .
  • FC Blake y BH Jackson, " La intensidad relativa de los armónicos de un sistema Lecher (experimental) ". The Ohio Journal of Science. * PDF )
  • FC Blake, " La intensidad relativa de los armónicos de un sistema de Lecher (teórico) ". Laboratorio de Física, Universidad Estatal de Ohio. ( PDF )