En física, una onda superficial es una onda mecánica que se propaga a lo largo de la interfase entre medios diferentes. Un ejemplo común son las ondas de gravedad a lo largo de la superficie de líquidos, como las ondas oceánicas. Las ondas gravitacionales también pueden ocurrir dentro de líquidos, en la interfaz entre dos fluidos con diferentes densidades. Las ondas superficiales elásticas pueden viajar a lo largo de la superficie de sólidos, como las ondas de Rayleigh o las ondas de Love. Las ondas electromagnéticas también pueden propagarse como «ondas superficiales» en el sentido de que pueden ser guiadas a lo largo de un índice de refraccióngradiente o a lo largo de una interfaz entre dos medios con diferentes constantes dieléctricas. En radiotransmisión, una onda terrestre es una onda guiada que se propaga cerca de la superficie de la Tierra.[1]
Un somormujo buceando creando ondas superficiales.
En la sismología, se encuentran varios tipos de ondas superficiales. Las ondas superficiales, en este sentido mecánico, son comúnmente conocidas como ondas de Love (ondas L) o Rayleigh. Una onda sísmica es una onda que se propaga a través de la Tierra, a menudo como resultado de un terremoto o una explosión. Las ondas de Love tienen un movimiento transversal (el movimiento es perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas de luz), mientras que las ondas de Rayleigh tienen tanto un movimiento longitudinal (el movimiento es paralelo a la dirección de propagación, como las ondas de sonido) como transversal. Las ondas sísmicas son estudiadas por sismólogos y medidas por un sismógrafo o sismómetro. Las ondas superficiales abarcan un amplio rango de frecuencias, y el período de las ondas más dañinas suele ser de 10 segundos o más. Las ondas superficiales pueden viajar alrededor del globo varias veces en los terremotos más grandes. Las ondas superficiales se generan cuando las ondas P y S llegan a la superficie.
Ejemplos son las ondas en la superficie de agua y aire (ondas oceánicas superficiales). Otro ejemplo son las ondas internas, que pueden transmitirse a lo largo de la interfaz de dos masas de agua de diferente densidad.
En la teoría de la fisiología auditiva, la onda viajera (TW) de Von Békésy, resultó de una onda superficial acústica de la membrana basilar en el conducto coclear. Su teoría pretendía explicar todas las características de la sensación auditiva debido a estos fenómenos mecánicos pasivos. Jozef Zwislocki, y más tarde David Kemp, demostraron que esto es poco realista y que se necesita una retroalimentación activa.
Ondas electromagnéticas
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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 es conocida como onda superficial de Norton, o más propiamente onda terrestre de Norton, porque las ondas terrestres en la propagación de radio no están confinadas a la superficie.
Otro tipo de onda superficial es la onda no radiativa de modo confinado «onda superficial de Zenneck» o «onda superficial de Zenneck-Sommerfeld».[2][3][4][5][6] La Tierra tiene un índice de refracción y la atmósfera tiene otro, constituyendo una interfase que soporta la transmisión de la onda de 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
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Dentro de la teoría de campos de microondas, la interfaz de un dieléctrico y un conductor soporta la «transmisión de ondas superficiales». Las ondas superficiales han sido estudiadas como parte de líneas de transmisión y algunas pueden considerarse como línea de transmisión de un solo hilo.
Las características y usos del fenómeno de la onda superficial eléctrica incluyen:
Los componentes del campo de la onda disminuyen con la distancia desde la interfaz.
La energía electromagnética no se convierte del campo de la onda superficial a otra forma de energía (excepto en ondas superficiales con pérdidas)[13] de modo que la onda no transmite potencia normal a la interfaz, es decir, es evanescente en esa dimensión.[14]
En cable coaxial además del modo TEM, también existe un modo transversal-magnético (TM)[15] que se propaga como una onda superficial en la región alrededor del conductor central. Para coaxiales de impedancia común, este modo está efectivamente suprimido, pero en coaxiales de alta impedancia y en un conductor central único sin blindaje externo, se soporta una propagación de baja atenuación y muy banda ancha. La operación de la línea de transmisión en este modo se llama E-Line.
Polaritón de plasmones superficiales
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El E-campo de un polaritón de plasmones superficiales en una interfaz plata-aire, a una frecuencia correspondiente a una longitud de onda en espacio libre de 10μm. 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 en espacio libre.
El polaritón de plasmones superficiales (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 otra es positiva, como es el caso de la interfaz entre el aire y un medio conductor con pérdidas por debajo de la frecuencia de plasma. La onda se propaga paralela a la interfaz y decae exponencialmente en dirección vertical, 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 cambios en el límite, como la adsorción de moléculas por la superficie conductora.[16]
Onda superficial de Sommerfeld-Zenneck
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La onda de Sommerfeld-Zenneck o onda de Zenneck es una onda electromagnética guiada no radiativa que es soportada por una interfaz plana o esférica entre dos medios homogéneos con diferentes constantes dieléctricas. Esta onda superficial se propaga paralela a la interfaz y decae exponencialmente en dirección vertical, 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 otra es 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 de plasma. Su intensidad de campo eléctrico disminuye a una tasa de e-αd/√d en la dirección de propagación a lo largo de la interfaz debido a la dispersión geométrica bidimensional del campo 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. Surgiendo del análisis original de 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 radiativa, puede derivarse empleando la transformada de Hankel de una corriente radial terrestre asociada con una fuente de onda superficial de Zenneck terrestre real.[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 superficiales 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.
Arnold Sommerfeld – publicó un tratado matemático sobre la onda de Zenneck
Jonathan Zenneck – Pupilo de Sommerfeld; pionero inalámbrico; desarrolló la onda de Zenneck
John Stone Stone – Pionero inalámbrico; produjo teorías sobre la propagación de radio
Otros
Constantes terrestres, los parámetros eléctricos de la tierra
Campo próximo y campo lejano, el campo radiado que está dentro de un cuarto de longitud de onda del borde de difracción o la antena y más allá
Efecto pelicular, 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 en su núcleo
Inversión de ondas superficiales
Función de Green, una función utilizada para resolver ecuaciones diferenciales inhomogéneas sujetas a condiciones de contorno
Referencia
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Bibliografía adicional
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Libros
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Revistas y artículos
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Otros medios
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Enlaces externos
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The Feynman Lectures on Physics: Surface waves
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David Reiss, "Electromagnetic surface waves". The Net Advance of Physics: Special Reports, No. 1
Gary Peterson, "Rediscovering the Zenneck wave". Feed Line No. 4. (ed. reproducción disponible en línea en 21st Century Books)
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