Supongamos que el medio en el que se propaga la onda electromagnética es isótropo, lineal y homogéneo, no conductor. La onda electromagnética se propaga a lo largo del eje Z.
Las amplitudes E0x, E0y, E0z, B0x, B0y, B0z son funciones de x e y, que por ahora no conocemos, la dependencia con z y t aparece en la función exponencial. La onda electromagnética no es transversal ya que tiene una compoenete Ez a lo largo de la dirección de propagación
Las cuatro componentes transversales E0x, E0y, B0x, B0y se pueden deducir de las componentes longitudinales, E0z, B0z del siguiente modo
A partir de las ecuaciones
Despejamos E0x y B0y
A partir de las ecuaciones
Despejamos B0x y E0y
Las ecuaciones de propagación de las ondas electromagnéticas son
La onda electromagnética se propaga a lo largo del eje Z
De modo similar
Los valores del número de onda k son discretos y vienen determinados por la frecuencia ω de la onda electromagnética y por la geometría y características del medio en el que se propaga ε, μ (no conductor)
Resolvemos la ecuación diferencial utilizando el procedimiento de variables separadas
Introducimos en la ecuación diferencial
El primer término, es solamente función de x el segundo solamente de y. Convertimos así, una ecuación diferencial en un sistema de dos ecuaciones diferenciales cuya solución es sencilla
La solución de las ecuaciones diferenciales son
La expresión de la amplitud B0z del campo magnético es
Sus derivadas resopecto de x e y son
TE, ondas transversales eléctricas
Las ondas transversales eléctricas están caracterizadas por que Ez=0
El caso más sencillo, es una guía rectangular de dimensiones a y b que se extiende a lo largo del eje Z
La condición de contorno es
, donde el símbolo n indica derivada en la dirección normal a la superficie metálica evaluada en la posición de dicha superficie de la guía. Estas condiciones son equivalentes a las siguientes
En las proximidades de los planos conductores el campo eléctrico tiene dirección perpendicular a los mismos
Los coeficientes C1, C2, C3 y C4 se determinan a partir de las condiciones de contorno
Las condiciones de contorno para los planos paralelos y=0 e y=b son
Las condiciones de contorno para los planos paralelos x=0 y x=a son
Obtenemos valores discretos de α y β
Amplitudes
La amplitud B0z de la componente Bz del campo magnético vale
Donde el nuevo coeficiente B0=C2C4
La componente Bz del campo magnético vale
Conocido B0z y E0z=0, determinamos las otras amplitudes de las componentes del campo eléctrico y magnético
Componente Ex
Componente Ey
Componente Bx
Componente By
Resumiendo, las componentes del campo eléctrico y del campo magnético , son
Energía por unidad de tiempo
El vector de Poynting es el producto vectorial
Teniendo en cuenta que el valor medio de una función periódica
>> syms k z w t;
>> w*int(sin(k*z-w*t)^2,t,0,pi/w)/pi
ans =1/2
>> w*int(cos(k*z-w*t)^2,t,0,pi/w)/pi
ans =1/2
>> w*int(cos(k*z-w*t)*sin(k*z-w*t),t,0,pi/w)/pi
ans =0
El valor medio de <Sx>=<Sy>0, es nulo ya que son productos del seno por el coseno, solamente queda el valor medio a lo largo del eje Z, <Sz>
se ha tenido en cuenta que γ2=α2+β2
La energía por unidad de tiempo (potencia) es
Teniendo en cuenta los resultados de las integrales
La potencia es
Cuando n o m son cero, tenemos la indeterminación 0/0 que es 1
El producto vg·v=c2. La velocidad de fase es mayor que la velocidad de la luz
Ejemplo
Sea una guía rectangular de cobre de lados a=3 cm y b=1 cm,
m y n no pueden ser cualquier número entero ya que γ2=(ω/c)2-k2. Dado ω, k2 no puede ser negativo.
Como a>b la frecuencia más baja corresponde a m=1, n=0
El número de onda k0 de una onda electromagnética de frecuencia 8 GHz en el vacío es
El número de onda k en la guía es
Velocidad de fase y de grupo son
Si el valor máximo del la amplitud del campo eléctrico es 30 kV/cm=3·106 V/m, calcular la amplitud del campo magnético para m=1, n=0
Ex es nulo y la amplitud de Ey es
Para el modo m=1, n=0, la potencia es
TM, ondas transversales magnéticas
Las ondas transversales magnéticas están caracterizadas por que Bz=0.
La solución de la ecuación diferencial
es, de modo análogo al primer apartado
Las condiciones de contorno son
Obtenemos valores discretos de α y β
Amplitudes
La amplitud E0z de la componente Ez del campo magnético vale
Donde el nuevo coeficiente E0=C1C3
La componente Ez del campo magnético vale
Conocido E0z y B0z=0, determinamos las otras amplitudes de las componentes del campo eléctrico y magnético
Componente Ex
Componente Ey
Componente Bx
Componente By
Resumiendo, las componentes del campo eléctrico y magnéticos son
El campo eléctrico es perpendicular a los planos conductores x=0 y x=a, ya que Ez=0, Ey=0
El campo eléctrico es perpendicular a los planos conductores y=0 y y=b, ya que Ez=0, Ex=0
Referencias
J. Pierrus. Solved Problems in Classical Electromagnetism. Analytical and numerical solutions with comments. Oxford University Press (2018). Questions 7.12, 7.13 y 7.15, pp. 358-360, 360-364, 367-368.