Ondas guiadas. Guía de onda circular

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. En coordenadas cilíndricas

E = E ρ ρ ^ + E φ φ ^ + E z k ^ ,{ E ρ = E 0ρ exp( i( kzωt ) ) E φ = E 0φ exp( i( kzωt ) ) E z = E 0z exp( i( kzωt ) ) B = B ρ ρ ^ + B φ φ ^ + B z k ^ ,{ B ρ = B 0ρ exp( i( kzωt ) ) B φ = B 0φ exp( i( kzωt ) ) B z = B 0z exp( i( kzωt ) )

Las amplitudes E, E, E0z, B, B, B0z son funciones de ρ e φ, 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

Apicamos la ley de Faraday en forma diferencial

× E = B t ( 1 ρ E z φ E φ z ) ρ ^ +( E ρ z E z ρ ) φ ^ + 1 ρ ( ρ ( ρ E φ ) E ρ φ ) k ^ = t ( B ρ ρ ^ + B φ φ ^ + B z k ^ ) { 1 ρ E 0z φ e i(kzωt) ik E 0φ e i(kzωt) =iω B 0ρ e i(kzωt) ik E 0ρ e i(kzωt) E 0z ρ e i(kzωt) =iω B 0φ e i(kzωt) 1 ρ ( ( ρ E 0φ ) ρ e i(kzωt) E 0ρ φ e i(kzωt) )=iω B 0z e i(kzωt) { 1 ρ E 0z φ ik E 0φ =iω B 0ρ ik E 0ρ E 0z ρ =iω B 0φ 1 ρ ( ( ρ E 0φ ) ρ E 0ρ φ )=iω B 0z

La ley de Ampère-Maxwell, sin corrientes

× B 1 c 2 E t =0 ( 1 ρ B z φ B φ z ) ρ ^ +( B ρ z B z ρ ) φ ^ + 1 ρ ( ρ ( ρ B φ ) B ρ φ ) k ^ 1 c 2 t ( E ρ ρ ^ + E φ φ ^ + E z k ^ )=0 { 1 ρ B 0z φ ik B 0φ + 1 c 2 iω E 0ρ =0 ik B 0ρ B 0z ρ + 1 c 2 iω E 0φ =0 1 ρ ( x ( ρ B 0φ ) B 0ρ φ )+ 1 c 2 iω E 0z =0

Las cuatro componentes transversales E, E, B, B se pueden deducir de las componentes longitudinales, E0z, B0z del siguiente modo

A partir de las ecuaciones

{ 1 ρ B 0z φ ik B 0φ + 1 c 2 iω E 0ρ =0 ik E 0ρ E 0z ρ =iω B 0φ

Despejamos E y B

E 0ρ = i γ 2 ( ω ρ B 0z φ +k E 0z ρ ), γ 2 = ω 2 c 2 k 2 B 0φ = i γ 2 ( k ρ B 0z φ + ω c 2 E 0z ρ )

A partir de las ecuaciones

{ 1 ρ E 0z φ ik E 0φ =iω B 0ρ ik B 0ρ B 0z ρ + 1 c 2 iω E 0φ =0

Despejamos B y E

E 0φ = i γ 2 ( k ρ E 0z φ ω B 0z ρ ) B 0ρ = i γ 2 ( k B 0z ρ ω c 2 1 ρ E 0z φ )

Las ecuaciones de propagación de las ondas electromagnéticas son

{ 2 E ε 0 μ 0 2 E t 2 =0 2 B ε 0 μ 0 2 B t 2 =0

La onda electromagnética se propaga a lo largo del eje Z

( 1 ρ ρ ( ρ E 0z ρ )+ 1 ρ 2 2 E 0z φ 2 ) e i( kzωt ) k 2 E 0z e i( kzωt ) + ω 2 c 2 E 0z e i( kzωt ) =0 1 ρ ρ ( ρ E 0z ρ )+ 1 ρ 2 2 E 0z φ 2 +( ω 2 c 2 k 2 ) E 0z =0 1 ρ ρ ( ρ E 0z ρ )+ 1 ρ 2 2 E 0z φ 2 + γ 2 E 0z =0

De modo similar

1 ρ ρ ( ρ B 0z ρ )+ 1 ρ 2 2 B 0z φ 2 + γ 2 B 0z =0

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

B z ( x,y,t )=R(ρ)Ψ(φ)exp( i( kzωt ) )

Introducimos en la ecuación diferencial

Ψ 1 ρ ρ ( ρ R ρ )+R 1 ρ 2 2 Ψ φ 2 + γ 2 RΨ=0 ρ R ρ ( ρ R ρ )+ 1 Ψ 2 Ψ φ 2 + γ 2 ρ 2 =0

El segundo solamente función de φ. Convertimos una ecuación diferencial en un sistema de dos ecuaciones diferenciales cuya solución es sencilla

{ 1 Ψ d 2 Ψ d φ 2 = m 2 ρ d dρ ( ρ dR dρ )+( γ 2 ρ 2 m 2 )R=0

La solución de la primera ecuación diferencial es

Ψ( φ )={ C 1 sin( mφ )+ C 2 cos( mφ ),m0 C 1 + C 2 φ,m=0

Como la solución es periódica

Ψ( φ )=Ψ( 2π+φ ) C 1 sin( mφ )+ C 2 cos( mφ )= C 1 sin( mφ+2πm )+ C 2 cos( mφ+2πm )= C 1 sin( mφ )+ C 2 cos( mφ )= C 1 { sin( mφ )cos( 2πm )+cos( mφ )sin( 2πm ) }+ C 2 { cos( mφ )cos( 2πm )sin( mφ )sin( 2πm ) }

Esta igualdad es posible si m es entero

Resolvemos la segunda ecuación difeencial

ρ 2 d 2 R d ρ 2 +ρ dR dρ +( γ 2 ρ 2 m 2 )R=0

Sustituyendo r=ργ

r 2 d 2 R d r 2 +r dR dr +( r 2 m 2 )R=0

La solución se expresa en términos de las funciones de Bessel

R(r)=A J m (r)+B Y m (r) R(ρ)=A J m ( γρ )+B Y m ( γρ )

Se descarta el segundo término ya que tiende a infinito cuando ρ→0

La expresión de la amplitud B0z del campo magnético es

B 0z ={ A J m ( γρ )( C 1 sin( mφ )+ C 2 cos( mφ ) ),m0 A J m ( γρ )( C 1 + C 2 φ ),m=0

Eligiendo un origen apropiado de ángulos podemos hacer que C1=0. Denominamos B0 al producto A·C2

Estudiamos el caso m≠0

B 0z = B 0 J m ( γρ )cos( mφ )

La componente Bz

B z =Re{ B 0z exp( i( kzωt ) ) }= B 0 J m ( γρ )cos( mφ )cos( kzωt )

Derivamos B0z respecto de ρ e φ

B 0z ρ = B 0 d J m ( γρ ) dρ cos( mφ ) B 0z φ =m B 0 J m ( γρ )sin( mφ )

TE, ondas transversales eléctricas

Las ondas transversales eléctricas están caracterizadas por que Ez=0

Sea una guía circular de radio a que se extiende a lo largo del eje Z

La condición de contorno es B z n | pared =0 , donde el símbolo n indica derivada en la dirección normal a la superficie metálica evaluada en la posición de dicha superficie de la guía. Esta condición es equivalente a la siguiente

Sabiendo que E0z=0, de la relación

E 0φ = i γ 2 ( k ρ E 0z φ ω B 0z ρ )= i γ 2 ω B 0z ρ E 0φ | ρ=a = i γ 2 ω B 0z ρ | ρ=a =0

El campo eléctrico es perpendicular a la superficie cilíndrica conductora

La condición de contorno en ρ=a

B z ρ | ρ=a =0 d J m ( γρ ) dρ | ρ=a =0

La derivada de las funciones Jm(x) de Bessel es

d J m (x) dk = m x J m (x) J m+1 (x) d J m ( γρ ) dρ = m ρ J m ( γρ )γ J m+1 ( γρ )

Denominamos tm,n a las raíces de la la ecuación transcendente

m a J m ( γa )γ J m+1 ( γa )=0 γ m,n = t m,n a ω 2 = c 2 ( t m,n 2 a 2 + k 2 )

Para m=0, calculamos las raíces de la ecuación J1(x)=0

function guia_1
    x=linspace(0,10,10);
    f=@(x) besselj(1,x);
    rr=raices(f,x); 
    disp('dJ_0(x)/dx=0')
    disp( rr)
    
    f=@(x) besselj(1,x)./x-besselj(2,x);
     rr=raices(f,x); 
    disp('dJ_1(x)/dx=0')
    disp (rr)

    f=@(x) 2*besselj(2,x)./x-besselj(3,x);
    rr=raices(f,x); 
    disp('dJ_2(x)/dx=0')
    disp(rr)

    function r = raices(f, x)
        y=f(x);
        indices=find(y(1:end-1).*y(2:end)<0);
        r=zeros(1,length(indices));
        for k=1:length(indices)
            r(k)=fzero(f, [x(indices(k)), x(indices(k)+1)]);
        end
    end
end
dJ_0(x)/dx=0,     3.8317    7.0156
dJ_1(x)/dx=0,     1.8412    5.3314    8.5363
dJ_2(x)/dx=0,     3.0542    6.7061    9.9695

Amplitudes

Conocido B0z y E0z=0, determinamos las otras amplitudes de las componentes del campo eléctrico y magnético

Resumiendo, las componentes del campo eléctrico E y del campo magbético B , son

E ={ E ρ = ω B 0 γ 2 m ρ J m ( γρ )sin( mφ )sin( kzωt ) E φ = ω B 0 γ 2 d J m ( γρ ) dρ cos( mφ )sin( kzωt ) E z =0 B ={ B ρ = k B 0 γ 2 d J m ( γρ ) dρ cos( mφ )sin( kzωt ) B φ = k B 0 γ 2 m ρ J m ( γρ )sin( mφ )sin( kzωt ) B z = B 0 J m ( γρ )cos( mφ )cos( kzωt )

TM, ondas transversales magnéticas

Las ondas transversales magnéticas están caracterizadas por que Bz=0.

La solución de la ecuación diferencial

1 ρ ρ ( ρ E 0z ρ )+ 1 ρ 2 2 E 0z φ 2 + γ 2 E 0z =0

es, de modo análogo al primer apartado

E 0z ( ρ,φ,t )={ A J m ( γρ )( C 1 sin( mφ )+ C 2 cos( mφ ) ),m0 A J m ( γρ )( C 1 + C 2 φ ),m=0

Eligiendo un origen apropiado de ángulos podemos hacer que C1=0. Denominamos E0 al producto A·C2

E 0z = E 0 J m ( γρ )cos( mφ )

La condición de contorno Ez(a)=0 para ρ=a implica

J m ( γa )=0 γ m,n = s m,n a ω 2 = c 2 ( s m,n 2 a 2 + k 2 )

sm,n son las raíces de la ecuación transcendente

function guia
    x=linspace(0,10,10);
    f=@(x) besselj(0,x);
    rr=raices(f,x); 
    disp('J_0(x)=0')
    disp( rr)
    
    f=@(x) besselj(1,x);
    rr=raices(f,x); 
    disp('J_1(x)=0')
    disp (rr)

    f=@(x) besselj(2,x);
    rr=raices(f,x); 
    disp('J_2(x)=0')
    disp(rr)

    function r = raices(f, x)
        y=f(x);
        indices=find(y(1:end-1).*y(2:end)<0);
        r=zeros(1,length(indices));
        for k=1:length(indices)
            r(k)=fzero(f, [x(indices(k)), x(indices(k)+1)]);
        end
    end
end
J_0(x)=0,    2.4048    5.5201    8.6537
J_1(x)=0,    3.8317    7.0156
J_2(x)=0,    5.1356    8.4172

Amplitudes

La componente E0z es

E 0z = E 0 J m ( γρ )cos( mφ ) E z =Re{ E 0z exp( i( kzωt ) ) }= E 0 J m ( γρ )cos( mφ )cos( kzωt )

Conocido E0z y B0z=0, determinamos las otras amplitudes de las componentes del campo eléctrico y magnético

Resumiendo, las componentes del campo eléctrico E y del campo magnético B , son

E ={ E ρ = k E 0 γ 2 d J m ( γρ ) dρ cos( mφ )sin( kzωt ) E φ = k E 0 γ 2 m ρ J m ( γρ )sin( mφ )sin( kzωt ) E z = E 0 J m ( γρ )cos( mφ )cos( kzωt ) B ={ B ρ = ω E 0 c 2 γ 2 m ρ J m ( γρ )sin( mφ )sin( kzωt ) B φ = ω E 0 c 2 γ 2 d J m ( γρ ) dρ cos( mφ )sin( kzωt ) B z =0

Nota: las expresiones de Bρ y Bφ difieren de las proporcionadas en la referencia, véase la página 372

Referencias

J. Pierrus. Solved Problems in Classical Electromagnetism. Analytical and numerical solutions with comments. Oxford University Press (2018). Question 7.16, pp. 369-372