Onda superficial

Un grebe de buceo crea ondas superficiales.

En física, una onda de superficie 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 Rayleigh o Love. Las ondas electromagnéticas también pueden propagarse como "ondas superficiales" porque pueden ser guiados a lo largo de un gradiente de índice de refracción oa lo largo de una interfaz entre dos medios que tienen diferentes constantes dieléctricas. En la transmisión de radio, una onda de superficie es una onda guiada que se propaga cerca de la superficie de la Tierra.

Ondas mecánicas

En sismología, se encuentran varios tipos de ondas superficiales. Las ondas superficiales, en este sentido mecánico, se conocen comúnmente como ondas de amor (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 movimiento longitudinal (movimiento paralelo a la dirección de viaje, como las ondas de sonido) y movimiento 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 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.

Ejemplos son las olas en la superficie del agua y el aire (ondas en 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 la teoría de la fisiología auditiva, la onda viajera (TW) de Von Bekesy resultó de una onda superficial acústica de la membrana basilar en el conducto coclear. Su teoría pretendía explicar cada característica de la sensación auditiva debido a estos fenómenos mecánicos pasivos. Jozef Zwislocki, y luego David Kemp, demostraron que eso no es realista y que es necesaria una retroalimentación activa.

Ondas electromagnéticas

Las ondas de superficie son ondas de radio que se propagan paralelas y adyacentes a la superficie de la Tierra, siguiendo la curvatura de la Tierra. Esta onda de superficie radiativa se conoce como onda de superficie de Norton, o más propiamente onda de superficie de Norton, porque las ondas de superficie en la propagación de radio no se limitan a la superficie.

Otro tipo de onda superficial es la onda superficial de Zenneck u onda superficial de Zenneck-Sommerfeld de modo limitado y no radiativa. La tierra tiene un índice de refracción y la atmósfera tiene otro, constituyendo así una interfaz que soporta la transmisión de la onda Zenneck guiada. Otros tipos de ondas superficiales son la onda superficial atrapada, la onda deslizante y las ondas superficiales de Dyakonov (DSW) que se propagan en la interfaz de materiales transparentes con diferente simetría. Además de estos, se han estudiado varios tipos de ondas superficiales para longitudes de onda ópticas.

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 las líneas de transmisión y algunas pueden considerarse como líneas de transmisión de un solo hilo.

Las características y usos del fenómeno de las ondas superficiales eléctricas incluyen:

• Los componentes de campo de la onda disminuyen con la distancia de la interfaz.
• La energía electromagnética no se convierte desde el campo de onda superficial a otra forma de energía (excepto en ondas superficiales fugaces o perdidas) de tal manera que la onda no transmite potencia normal a la interfaz, es decir, es evanescente a lo largo de esa dimensión.
• En la transmisión de fibra óptica, las ondas evanescentes son ondas superficiales.
• En cable coaxial además del modo TEM existe también un modo transverso-magnético (TM) que se propaga como onda superficial en la región alrededor del conductor central. Para el coaxi de la impedancia común este modo es efectivamente suprimido pero en el coaxi de alta impedancia y en un solo conductor central sin ningún escudo exterior, atenuación baja y propagación de banda ancha es soportada. El funcionamiento de la línea de transmisión en este modo se llama E-Line.

Polariton de plasmones de superficie

El campo E de un polariton de plasmón superficial en una interfaz de plata-aire, a una frecuencia correspondiente a una longitud de onda libre-espacio de 10μm. A esta frecuencia, la plata se comporta aproximadamente como un conductor eléctrico perfecto, y el SPP se llama una onda Sommerfeld-Zenneck, con casi la misma longitud de onda que la longitud de onda libre-espacio.

El polaritón de plasmón de superficie (SPP) es una onda de superficie 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 que forman la interfaz sea negativa, mientras que el otro sea positivo, 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 paralelamente a la interfase 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.

Onda superficial de Sommerfeld-Zenneck

La onda de Sommerfeld-Zenneck u onda de Zenneck es una onda electromagnética guiada no radiativa que está soportada por una interfaz plana o esférica entre dos medios homogéneos que tienen diferentes constantes dieléctricas. Esta onda superficial se propaga paralelamente a la interfase 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 el otro sea positivo, 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 cae a una tasa de e^-αd/√d en la dirección de propagación a lo largo de la interfaz debido a la expansión 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. Surgido 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. 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 de Zenneck terrestre realista. 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 generalmente está entre 20 dB/dec y 40 dB/dec.