En física , una onda superficial es una onda mecánica que se propaga a lo largo de la interfaz entre diferentes medios. Un ejemplo común son las ondas de gravedad a lo largo de la superficie de los líquidos, como las olas del océano. Las ondas de gravedad también pueden ocurrir dentro de los líquidos, en la interfaz entre dos fluidos con diferentes densidades. Las ondas elásticas superficiales pueden viajar a lo largo de la superficie de los sólidos, como las ondas de Rayleigh o Love . Las ondas electromagnéticas también pueden propagarse como "ondas superficiales" en el sentido de que pueden guiarse a lo largo de un gradiente de índice de refracción o a lo largo de una interfaz entre dos medios que tienen diferentes constantes dieléctricas. En la transmisión de radio , una onda terrestre es una onda guiada que se propaga cerca de la superficie de la Tierra . [1]
Ondas mecánicas
En sismología , se encuentran varios tipos de ondas superficiales. Las ondas superficiales, en este sentido mecánico, se conocen comúnmente como ondas Love (ondas L) u ondas Rayleigh . Una onda sísmica es una onda que viaja a través de la Tierra, a menudo como resultado de un terremoto o explosión. Las ondas Love tienen un movimiento transversal (el movimiento es perpendicular a la dirección de viaje, como las ondas de luz), mientras que las ondas Rayleigh tienen un movimiento longitudinal (movimiento paralelo a la dirección de viaje, como las ondas de sonido) y transversal. Los sismólogos estudian las ondas sísmicas y las miden con un sismógrafo o sismómetro. Las ondas superficiales abarcan un amplio rango de frecuencias, y el período de las ondas que son más dañinas suele ser de 10 segundos o más. Las ondas superficiales pueden viajar alrededor del mundo muchas veces desde los terremotos más grandes. Las ondas superficiales se producen cuando las ondas P y las ondas S llegan a la superficie.
En la teoría de la fisiología auditiva , la onda viajera (TW) de Von Bekesy , era el resultado de una onda acústica superficial de la membrana basilar hacia el conducto coclear . Su teoría pretendía explicar cada característica de la sensación auditiva debido a estos fenómenos mecánicos pasivos. Jozef Zwislocki, y más tarde David Kemp , demostraron que esto no es realista y que es necesaria la retroalimentación activa.
Ondas electromagnéticas
Las ondas terrestres son ondas de radio que se propagan paralelas y adyacentes a la superficie de la Tierra, siguiendo la curvatura de la Tierra . Esta onda terrestre radiactiva se conoce como onda superficial de Norton o, más apropiadamente, onda terrestre de Norton , porque las ondas terrestres en la propagación de radio no se limitan a la superficie.
Otro tipo de onda superficial es la onda superficial de Zenneck , no radiativa y de modo ligado, o onda superficial de Zenneck-Sommerfeld . [2] [3] [4] [5] [6] La Tierra tiene un índice de refracción y la atmósfera tiene otro, constituyendo así una interfaz que apoya la transmisión de la onda Zenneck guiada. Otros tipos de ondas superficiales son la onda superficial atrapada , [7] la onda deslizante y las ondas superficiales de Dyakonov (DSW) que se propagan en la interfaz de materiales transparentes con diferente simetría. [8] [9] [10] [11] Aparte de estas, se han estudiado varios tipos de ondas superficiales para longitudes de onda ópticas. [12]
Teoría de campos de microondas
En la teoría de campos de microondas, la interfaz de un dieléctrico y un conductor permite la "transmisión de ondas superficiales". Las ondas superficiales se han estudiado como parte de las líneas de transmisión y algunas pueden considerarse líneas de transmisión de un solo cable .
Las características y usos del fenómeno de las ondas eléctricas superficiales incluyen:
Los componentes del campo de la onda disminuyen con la distancia desde la interfaz.
La energía electromagnética no se convierte del campo de ondas superficiales a otra forma de energía (excepto en ondas superficiales con pérdidas o fugas) [13], de modo que la onda no transmite potencia normal a la interfaz, es decir, es evanescente a lo largo de esa dimensión. [14]
En los cables coaxiales, además del modo TEM, también existe un modo magnético transversal (TM) [15] que se propaga como una onda superficial en la región que rodea al conductor central. En los cables coaxiales de impedancia común, este modo se suprime de manera efectiva, pero en los cables coaxiales de alta impedancia y en un solo conductor central sin ningún blindaje externo, se admite una atenuación baja y una propagación de banda muy ancha. El funcionamiento de la línea de transmisión en este modo se denomina E-Line .
Polaritón plasmón de superficie
El campo E de un polaritón plasmónico de superficie en una interfase plata-aire, a una frecuencia correspondiente a una longitud de onda en el espacio libre de 10 μm. A esta frecuencia, la plata se comporta aproximadamente como un conductor eléctrico perfecto , y la SPP se denomina onda Sommerfeld-Zenneck, con casi la misma longitud de onda que la longitud de onda en el espacio libre.
El polaritón plasmónico de superficie (SPP) es una onda electromagnética superficial que puede viajar a lo largo de una interfaz entre dos medios con diferentes constantes dieléctricas. Existe bajo la condición de que la permitividad de uno de los materiales [6] que forman la interfaz sea negativa, mientras que la del otro sea positiva, como es el caso de la interfaz entre el aire y un medio conductor con pérdidas por debajo de la frecuencia del plasma . La onda se propaga paralela a la interfaz y decae exponencialmente verticalmente a ella, una propiedad llamada evanescencia. Dado que la onda está en el límite de un conductor con pérdidas y un segundo medio, estas oscilaciones pueden ser sensibles a los cambios en el límite, como la adsorción de moléculas por la superficie conductora. [16]
Onda superficial de Sommerfeld-Zenneck
La onda de Sommerfeld-Zenneck o onda Zenneck es una onda electromagnética guiada no radiativa que se apoya en una interfaz plana o esférica entre dos medios homogéneos que tienen constantes dieléctricas diferentes. Esta onda superficial se propaga paralela a la interfaz y decae exponencialmente verticalmente a ella, una propiedad conocida como evanescencia. Existe bajo la condición de que la permitividad de uno de los materiales que forman la interfaz sea negativa, mientras que la del otro sea positiva, como por ejemplo la interfaz entre el aire y un medio conductor con pérdidas como la línea de transmisión terrestre, por debajo de la frecuencia del plasma . Su intensidad de campo eléctrico cae a una tasa de e -αd /√d en la dirección de propagación a lo largo de la interfaz debido a la propagación del campo geométrico bidimensional a una tasa de 1/√d, en combinación con una atenuación exponencial dependiente de la frecuencia (α), que es la disipación de la línea de transmisión terrestre, donde α depende de la conductividad del medio. Surgió del análisis original de Arnold Sommerfeld y Jonathan Zenneck del problema de la propagación de ondas sobre una tierra con pérdidas, y existe como una solución exacta a las ecuaciones de Maxwell . [17] La onda de superficie de Zenneck, que es un modo de onda guiada no radiante, se puede derivar empleando la transformada de Hankel de una corriente de tierra radial asociada con una fuente de onda de superficie terrestre realista de Zenneck. [6] Las ondas de superficie de Sommerfeld-Zenneck predicen que la energía decae como R −1 porque la energía se distribuye sobre la circunferencia de un círculo y no sobre la superficie de una esfera. La evidencia no muestra que en la propagación de ondas espaciales de radio, las ondas de superficie de Sommerfeld-Zenneck sean un modo de propagación ya que el exponente de pérdida de trayectoria generalmente está entre 20 dB/dec y 40 dB/dec.
Campo cercano y lejano , el campo radiado que está dentro de un cuarto de la longitud de onda del borde de difracción o la antena y más allá.
Efecto piel , tendencia de una corriente eléctrica alterna a distribuirse dentro de un conductor de modo que la densidad de corriente cerca de la superficie del conductor es mayor que en su núcleo.
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Lectura adicional
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Enlaces externos
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Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).