Un zampullín buceador crea ondas en la superficie.
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 superficiales elásticas 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", ya que pueden guiarse a lo largo de un gradiente de índice de refracción o a lo largo de una interfaz entre dos medios con 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 de Love (ondas L) u ondas de Rayleigh . Una onda sísmica es una onda que viaja a través de la Tierra, a menudo como resultado de un terremoto o una explosión. Las ondas de amor tienen un movimiento transversal (el movimiento es perpendicular a la dirección de viaje, como las ondas de luz), mientras que las ondas de Rayleigh tienen un movimiento tanto longitudinal (un movimiento paralelo a la dirección de viaje, como las ondas de sonido) como transversal. Las ondas sísmicas son estudiadas por los sismólogos y medidas mediante 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 debido a los terremotos más grandes. Las ondas superficiales se producen cuando las ondas P y S llegan a la superficie.
Ejemplos de ello son las olas en la superficie del agua y del aire ( ondas de la superficie del océano ). Otro ejemplo son las ondas internas , que pueden transmitirse a lo largo de la interfaz de dos masas de agua de diferente densidad.
En teoría de la fisiología auditiva , la onda viajera (OV) de Von Bekesy es el resultado de una onda superficial acústica 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 una 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 radiativa se conoce como onda superficial de Norton , o más propiamente 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 Zenneck no radiativa en modo ligado o la onda superficial Zenneck-Sommerfeld . [2] [3] [4] [5] [6] La Tierra tiene un índice de refracción y la atmósfera tiene otro, constituyendo así una interfaz que soporta la transmisión de la onda guiada de Zenneck. 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 estos, se han estudiado varios tipos de ondas superficiales para longitudes de onda ópticas. [12]
Teoría del campo de microondas
Dentro de la teoría del campo de microondas, la interfaz de un dieléctrico y un conductor admite la "transmisión de ondas superficiales". Las ondas superficiales se han estudiado como parte de 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 de 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 fugas o pérdidas) [13] de manera que la onda no transmite potencia normal a la interfaz, es decir, es evanescente a lo largo de esa dimensión. [14]
En el cable coaxial , además del modo TEM, también existe un modo magnético transversal (TM) [15] que se propaga como una onda superficial en la región alrededor del conductor central. Para coaxial de impedancia común, este modo se suprime efectivamente, pero en coaxial de alta impedancia y en un solo conductor central sin ningún blindaje exterior, se admite una atenuación baja y una propagación de banda muy ancha. La operación de la línea de transmisión en este modo se denomina E-Line .
Polariton de plasmón de superficie
El campo E de un polariton de plasmón de superficie en una interfaz 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 el SPP se llama onda de Sommerfeld-Zenneck, con casi la misma longitud de onda que la longitud de onda del espacio libre.
El polariton de plasmón superficial (SPP) es una onda superficial electromagnética 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 el 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 se encuentra en el límite de un conductor con pérdidas y un segundo medio, estas oscilaciones pueden ser sensibles a cambios en el límite, como la adsorción de moléculas por la superficie conductora. [dieciséis]
Onda superficial de Sommerfeld-Zenneck
La onda de Sommerfeld-Zenneck u onda Zenneck es una onda electromagnética guiada no radiativa que se sustenta en una interfaz plana o esférica entre dos medios homogéneos que tienen diferentes constantes dieléctricas. Esta onda superficial se propaga paralela a la interfaz y decae exponencialmente verticalmente, 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 el 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 . La intensidad de su campo eléctrico disminuye a una velocidad de e -αd /√d en la dirección de propagación a lo largo de la interfaz debido a la dispersión del campo geométrico bidimensional a una velocidad 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. Surgiendo del análisis original realizado por Arnold Sommerfeld y Jonathan Zenneck del problema de la propagación de ondas sobre una Tierra con pérdidas, existe como una solución exacta a las ecuaciones de Maxwell . [17] La onda superficial 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 superficial terrestre realista de Zenneck. [6] Las ondas superficiales 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 está generalmente entre 20 dB/dec y 40 dB/dec.
Campo cercano y lejano , el campo radiado que se encuentra dentro de un cuarto de longitud de onda del borde difractor o de la antena y más allá.
Efecto piel , la 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 la de su núcleo.
^ La realidad física de la onda superficial de Zenneck.
^ Hill, DA y JR Wait (1978), Excitación de la onda superficial de Zenneck mediante una apertura vertical, Radio Sci., 13(6), 969–977, doi :10.1029/RS013i006p00969.
^ Goubau, G., "Über die Zennecksche Bodenwelle" (Sobre la onda superficial de Zenneck), Zeitschrift für Angewandte Physik , vol. 3, 1951, núms. 3/4, págs. 103-107.
^ Barlow, H.; Marrón, J. (1962). "II". Ondas superficiales de radio . Londres: Oxford University Press. págs. 10-12.
^ abc Corum, KL, MW Miller, JF Corum, "Surface Waves and the Crucial Propagation Experiment", Actas del Simposio de Texas de 2016 sobre circuitos y sistemas inalámbricos y de microondas (WMCS 2016), Universidad de Baylor, Waco, TX, 31 de marzo. 1 de abril de 2016, IEEE, MTT-S, ISBN 9781509027569 .
^ Espera, James, "Excitación de ondas superficiales en superficies conductoras, estratificadas, revestidas de dieléctrico y corrugadas", Revista de investigación de la Oficina Nacional de Normas, vol. 59, n° 6, diciembre de 1957.
^ Dyakonov, MI (abril de 1988). "Nuevo tipo de onda electromagnética que se propaga en una interfaz". JETP de física soviética . 67 (4): 714. Código bibliográfico : 1988JETP...67..714D.
^ Takayama, O.; Crasovan, LC; Johansen, SK; Mihalache, D, Artigas, D.; Torner, L. (2008). "Ondas superficiales de Dyakonov: una revisión". Electromagnética . 28 (3): 126-145. doi :10.1080/02726340801921403. S2CID 121726611.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Takayama, O.; Crasovan, LC; Artigas, D.; Torner, L. (2009). "Observación de las ondas superficiales de Dyakonov". Cartas de revisión física . 102 (4): 043903. Código bibliográfico : 2009PhRvL.102d3903T. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.043903. PMID 19257419. S2CID 14540394.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Takayama, O.; Artigas, D., Torner, L. (2014). "Guía direccional de luz sin pérdidas en nanoláminas dieléctricas utilizando ondas superficiales de Dyakonov". Nanotecnología de la naturaleza . 9 (6): 419–424. Código Bib : 2014NatNa...9..419T. doi :10.1038/nnano.2014.90. PMID 24859812.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Takayama, O.; Bogdanov, AA, Lavrinenko, AV (2017). "Ondas superficiales fotónicas en interfaces metamateriales". Revista de Física: Materia Condensada . 29 (46): 463001. Código bibliográfico : 2017JPCM...29T3001T. doi :10.1088/1361-648X/aa8bdd. PMID 29053474.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Liu, Hsuan-Hao; Chang, Hung Chun (2013). "Modos de polariton de plasmón de superficie con fugas en una interfaz entre metal y materiales uniaxialmente anisotrópicos". Revista de fotónica IEEE . 5 (6): 4800806. Código bibliográfico : 2013IPhoJ...500806L. doi : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .
^ Collin, RE, Teoría de campo de ondas guiadas , Capítulo 11 "Guías de ondas de superficie". Nueva York: Wiley-IEEE Press, 1990.
^ "Modo (TM)" (PDF) . corredor.biz . Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022 . Consultado el 4 de abril de 2018 .
^ S. Zeng; Baillarat, Dominique; Ho, Ho-Pui; Yong, Ken-Tye (2014). "Los nanomateriales mejoraron la resonancia de plasmones superficiales para aplicaciones de detección biológica y química". Reseñas de la sociedad química . 43 (10): 3426–3452. doi :10.1039/C3CS60479A. hdl : 10220/18851 . PMID 24549396.
^ Barlow, H.; Marrón, J. (1962). Ondas superficiales de radio . Londres: Oxford University Press. págs.v, vii.
Otras lecturas
Normas y doctrinas
« Onda superficial Archivado el 3 de septiembre de 2017 en Wayback Machine ». Glosario de telecomunicaciones 2000, Comité ATIS T1A1, Rendimiento y procesamiento de señales, T1.523–2001.
" Tácticas, técnicas y procedimientos multiservicio para el establecimiento automático de enlaces de alta frecuencia (HF-ALE): FM 6-02.74; MCRP 3–40.3E; NTTP 6-02.6; AFTTP(I) 3-2.48; COMDTINST M2000 .7 "septiembre de 2003.
Libros
Barlow, HM y Brown, J., "Radio Surface Waves", Oxford University Press 1962.
Budden, KG, " Las ondas de radio en la ionosfera; la teoría matemática del reflejo de las ondas de radio en capas ionizadas estratificadas ". Cambridge, Inglaterra, University Press, 1961. LCCN 61016040 /L/r85
Budden, KG, " La teoría de la propagación de ondas en modo guía de ondas ". Londres, Logos Press; Englewood Cliffs, Nueva Jersey, Prentice-Hall, c1961. LCCN62002870/L
Budden, KG, " La propagación de las ondas de radio: la teoría de las ondas de radio de baja potencia en la ionosfera y la magnetosfera ". Cambridge (Cambridgeshire); Nueva York: Cambridge University Press, 1985. ISBN 0-521-25461-2 LCCN 84028498
Collin, RE, " Teoría de campo de ondas guiadas ". Nueva York: Wiley-IEEE Press, 1990.
Foti, S., Lai, CG, Rix, GJ y Strobbia, C., "“Surface Wave Methods for Near-Surface Site Characterization”", CRC Press, Boca Raton, Florida (EE.UU.), 487 págs., ISBN 9780415678766 , 2014 <https://www.crcpress.com/product/isbn/9780415678766>
Sommerfeld, A., "Partial Differential Equations in Physics" (versión en inglés), Academic Press Inc., Nueva York 1949, capítulo 6 - "Problems of Radio".
Polo Jr., JA, Mackay, TG y Lakhtakia, A., " Ondas superficiales electromagnéticas: una perspectiva moderna ". Waltham, MA, EE. UU.: Elsevier, 2013 <https://www.elsevier.com/books/electromagnetic-surface-waves/polo/978-0-12-397024-4>.
Rawer, K., " Propagación de ondas en la ionosfera ", Dordrecht, Kluwer Acad.Publ. 1993.
Sommerfeld, A., "Partial Differential Equations in Physics" (versión en inglés), Academic Press Inc., Nueva York 1949, capítulo 6 - "Problems of Radio".
Weiner, Melvin M., " Antenas monopolares " Nueva York, Marcel Dekker, 2003. ISBN 0-8247-0496-7
Espere, JR, " Teoría de las ondas electromagnéticas ", Nueva York, Harper and Row, 1985.
Espera, JR, " Las olas en los medios estratificados ". Nueva York: Pérgamo, 1962.
Waldron, Richard Arthur, " Teoría de las ondas electromagnéticas guiadas ". Londres, Nueva York, Van Nostrand Reinhold, 1970. ISBN 0-442-09167-2 LCCN 69019848 //r86
Weiner, Melvin M., " Antenas monopolares " Nueva York, Marcel Dekker, 2003. ISBN 0-8247-0496-7
Revistas y artículos
Zenneck, Sommerfeld, Norton y Goubau
J. Zenneck, (traductores: P. Blanchin, G. Guérard, É. Picot), " Précis de télégraphie sans fil: complément de l'ouvrage: Les oscilations électromagnétiques et la télégraphie sans fil ", París: Gauthier-Villars, 1911 .viii, 385 p. : enfermo.; 26cm. ( Tr . "Precisiones de telegrafía inalámbrica: complemento de la obra: Oscilaciones electromagnéticas y telegrafía inalámbrica.")
J. Zenneck, " Über die Fortpflanzung ebener elektromagnetischer Wellen längs einer ebenen Leiterfläche und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie ", Annalen der Physik, vol. 23, págs. 846–866, septiembre de 1907. ( Tr . "Acerca de la propagación de ondas electromagnéticas planas a lo largo de un plano conductor y su relación con la telegrafía inalámbrica").
J. Zenneck, " Elektromagnetische Schwingungen und drahtlose Telegraphie ", gart, F. Enke, 1905. xxvii, 1019 p. : enfermo.; 24cm. (Tr . "Oscilaciones electromagnéticas y telegrafía inalámbrica").
J. Zenneck, (traductor: AE Seelig) " Telegrafía inalámbrica ", Nueva York [etc.] McGraw-Hill Book Company, inc., 1ª ed. 1915.xx, 443 p. ilus., diagr. 24cm. LCCN 15024534 ( ed . "Bibliografía y notas sobre teoría" págs. 408–428.)
A. Sommerfeld, " Über die Fortpflanzung elektrodynamischer Wellen längs eines Drahtes ", Ann. der Physik und Chemie, vol. 67, págs. 233–290, diciembre de 1899. ( Tr . "Propagación de ondas electrodinámicas a lo largo de un conductor cilíndrico").
A. Sommerfeld, " Über die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie ", Annalen der Physik, vol. 28, págs. 665–736, marzo de 1909. ( Tr . "Acerca de la propagación de ondas en la telegrafía inalámbrica").
A. Sommerfeld, " Propagación de ondas en telegrafía inalámbrica ", Ann. Física, vol. 81, págs. 1367-1153, 1926.
KA Norton, " La propagación de ondas de radio sobre la superficie de la Tierra y en la atmósfera superior ", Proc. IRE, vol. 24, págs. 1367-1387, 1936.
KA Norton, " Los cálculos de la intensidad del campo de la onda terrestre sobre una tierra esférica finitamente conductora ", Proc. IRE, vol. 29, págs. 623–639, 1941.
G. Goubau, " Ondas superficiales y su aplicación a líneas de transmisión ", J. Appl. Física, vol. 21, págs. 1119-1128; Noviembre de 1950.
G. Goubau, “Über die Zennecksche Bodenwelle” ( Tr . "Sobre la onda superficial de Zenneck"), Zeitschrift für Angewandte Physik, vol. 3, 1951, núms. 3/4, págs. 103-107.
Esperar
Espere, JR, " Las ondas laterales y la investigación pionera del difunto Kenneth A Norton ".
Wait, JR y DA Hill, " Excitación de la onda superficial de HF mediante aperturas verticales y horizontales ". Radio Science, 14, 1979, págs. 767–780.
Wait, JR y DA Hill, " Excitación de la onda superficial de Zenneck mediante una apertura vertical ", Radio Science, vol. 13, núm. 6, noviembre-diciembre de 1978, págs. 969-977.
Espere, JR, " Una nota sobre ondas superficiales y ondas terrestres ", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, noviembre de 1965. Vol. 1, núm. 13, número 6, págs. 996–997 ISSN 0096-1973
Espera, JR, " La historia antigua y moderna de la propagación de ondas terrestres EM ". Propagación de antenas IEEE. Mag., vol. 40, págs. 7 a 24, octubre de 1998.
Espere, JR, " Apéndice C: Sobre la teoría de la propagación de ondas terrestres sobre una tierra curva ligeramente rugosa ", Sondeo electromagnético en geofísica . Boulder, CO., Golem, 1971, págs. 37–381.
Wait, JR, " Ondas superficiales electromagnéticas ", Advances in Radio Research , 1, Nueva York, Academic Press, 1964, págs.
Otros
RE Collin, " Dipolo hertziano que irradia sobre una tierra o un mar con pérdidas: algunas controversias de principios y finales del siglo XX ", Revista Antennas and Propagation, 46, 2004, págs.
FJ Zucker, " Antenas de ondas superficiales y conjuntos excitados de ondas superficiales ", Manual de ingeniería de antenas, 2.ª ed., RC Johnson y H. Jasik, Eds. Nueva York: McGraw-Hill, 1984.
Yu. V. Kistovich, " Posibilidad de observar ondas superficiales de Zenneck en radiación procedente de una fuente con una pequeña apertura vertical ", Física Técnica Soviética, vol. 34, núm. 4, abril de 1989, págs. 391–394.
VI Baĭbakov, VN Datsko, Yu. V. Kistovich, " Descubrimiento experimental de las ondas electromagnéticas superficiales de Zenneck ", Sov Phys Uspekhi, 1989, 32 (4), 378–379.
Corum, KL y JF Corum, " The Zenneck Surface Wave ", Nikola Tesla, Lightning Observations, and Stationary Waves, Apéndice II . 1994.
MJ King y JC Wiltse, " Propagación de ondas superficiales en alambres metálicos recubiertos o sin recubrimiento en longitudes de onda milimétricas ". J. Aplica. Física, vol. 21, págs. 1119-1128; Noviembre,
MJ King y JC Wiltse, " Propagación de ondas superficiales en una varilla dieléctrica de sección transversal eléctrica ". Electronic Communications, Inc., Tirnonium: kld. Ciencia. Rept.'No. 1, Contrato AFCKL No. AF 19(601)-5475; Agosto de 1960.
T. Kahan y G. Eckart, " Sobre la onda superficial electromagnética de Sommerfeld ", Phys. Rev. 76, 406–410 (1949).
Otros medios
LA Ostrovsky (ed.), " Modelado de laboratorio y estudios teóricos de la modulación de ondas superficiales por una esfera en movimiento ", m, Oceanic and Atmospheric Research Laboratories, 2002. OCLC 50325097
enlaces externos
Las conferencias Feynman sobre física: ondas superficiales
Eric W. Weisstein, et al., " Surface Wave ", El mundo de la física de Eric Weisstein, 2006.
David Reiss, " Ondas superficiales electromagnéticas ". El avance neto de la física: informes especiales, n.° 1
Gary Peterson, " Redescubriendo la ola Zenneck ". Feed Line No. 4. ( ed . reproducción disponible en línea en 21st Century Books)
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 ).