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Física · Glosario

¿Qué es Número de onda complejo: propagación y atenuación?

Definición 8.3 Física universitaria — segundo año · Capítulo 8 — Dispersión y paquetes de ondas

Cuando la relación de dispersión da, para ω\omega real, un k‾=k′−ik′′\underline k = k' - \iu k'' complejo, la onda vale

s‾=A e−k′′x ei(ωt−k′x):\underline s = A\,\eu^{-k''x}\,\eu^{\iu(\omega t - k'x)} :

se propaga a vφ=ω/k′v_\varphi = \omega/k' y su amplitud decae como e−x/δ\eu^{-x/\delta}, con la longitud de atenuación δ=1/k′′\delta = 1/k'' (debe decaer en su sentido de propagación: k′k' y k′′k'' del mismo signo). Si k‾\underline k es imaginario puro, k‾=−iκ\underline k = -\iu\kappa, la onda es evanescente: A e−κxeiωtA\,\eu^{-\kappa x}\eu^{\iu\omega t}, una oscilación estacionaria cuya amplitud muere en la distancia 1/κ1/\kappa sin propagar nada — el caso de un medio de Klein–Gordon por debajo de su corte, κ=ωc2−ω2/c\kappa = \sqrt{\omega_c^2 - \omega^2}/c, y el de un metal a frecuencias ópticas.

Ejemplos

Ejemplo 8.4 (Una cuerda amortiguada)

Una cuerda en un fluido viscoso, μ∂t2y+α∂ty=T∂x2y\mu\partial_t^2y + \alpha\partial_ty = T\partial_x^2y: k‾2=(ω2−iαω/μ)/c2\underline k^2 = (\omega^2 - \iu\alpha\omega/\mu)/c^2. Con amortiguamiento débil (α≪μω\alpha \ll \mu \omega), k‾≈ωc(1−iα2μω)\underline k \approx \dfrac\omega c\Bigl(1 - \iu\dfrac{\alpha}{2\mu\omega}\Bigr): la onda conserva su celeridad y pierde amplitud en δ=2μc/α=2Z/α\delta = 2\mu c/\alpha = 2Z/\alpha, independiente de la frecuencia — una pérdida disipativa y no dispersiva, de 8.7 dB8.7\,\mathrm{dB} por cada longitud δ\delta.

Ejemplo 8.11 (Tres cables)

El cable transatlántico de 1858: un solo hilo de cobre en gutapercha, R≈3 Ω/kmR \approx 3\,\Omega/\mathrm{km}, Γ≈0.3 µF/km\Gamma \approx 0.3\,\text{µ}\mathrm{F}/\mathrm{km}, L=3000 kmL = 3000\,\mathrm{km}: RΓ=9×10−10 s/m2R\Gamma = 9 \times 10^{-10}\,\mathrm{s}/\mathrm{m}^{2} y RΓL2≈8 sR\Gamma L^2 \approx 8\,\mathrm{s} por punto: una palabra por minuto, y los intentos de los operadores de forzar la señal con 2 kV2\,\mathrm{kV} destruyeron el aislamiento en unas semanas. Una línea telefónica cargada con bobinas cada 2 km2\,\mathrm{km} para cumplir la condición de Heaviside (1900): habla nítida a lo largo de cientos de kilómetros. Un cable coaxial moderno de 50 Ω50\,\Omega: c=2×108 m/sc = 2 \times 10^{8}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, Λ=0.25 µH/m\Lambda = 0.25\,\text{µ}\mathrm{H}/\mathrm{m}, Γ=100 pF/m\Gamma = 100\,\mathrm{pF}/\mathrm{m}, y una atenuación, debida al efecto pelicular en los conductores (Capítulo 14), que crece como f\sqrt f: unos pocos decibelios por cada cien metros a 100 MHz100\,\mathrm{MHz}.

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