Medidas de la onda evanescente y del coeficiente de transmisión en ondas electromagnéticas

Este proyecto convierte un fenómeno a menudo presentado como abstracto en un experimento directo con microondas y dieléctricos. Su núcleo es la reflexión total frustrada: cuando la geometría impide la propagación ordinaria al otro lado de una interfaz, el campo no desaparece sin más, sino que genera una onda evanescente cuya amplitud decae rápidamente y que, en ciertas condiciones, puede acoplarse de nuevo a un segundo medio.

La práctica tiene dos partes bien diferenciadas. La primera estudia la geometría de la reflexión y de la transmisión, es decir, qué ángulo caracteriza la reflexión, qué señal puede detectarse al otro lado y cómo debe interpretarse físicamente eso que “pasa”. La segunda analiza cómo disminuye la señal transmitida cuando aumenta la separación entre los dieléctricos, que es precisamente la parte que establece la analogía formal con el efecto túnel.

El valor del montaje está en que todo esto puede observarse con una instrumentación muy legible. En lugar de quedarse en el formalismo, el experimento obliga a medir ángulos, a desplazar barreras, a registrar atenuaciones y a decidir qué significa realmente transmisión cuando la región intermedia no sostiene una onda propagante. Esa combinación de claridad geométrica y profundidad conceptual explica que el trabajo acabara publicándose en American Journal of Physics.

Esquema físico del problema

Figura 1. Geometría general del problema: reflexión en una interfaz y acoplamiento a través de una separación de ancho d entre dieléctricos.

La figura resume la idea central del artículo. En una sola interfaz aparece la geometría usual de incidencia, reflexión y transmisión. Pero cuando se introduce una segunda superficie cercana, el campo evanescente presente en la región intermedia puede volver a acoplar energía al tercer medio. Esa situación es la que se conoce como reflexión total frustrada y constituye la base experimental de toda la práctica.

Parte 1: ángulo de reflexión y señal transmitida

Figura 2. Montaje para generar ondas evanescentes con microondas y explorar espacialmente la señal mediante una sonda detectora.

Figura 3. Geometría empleada para estudiar los ángulos característicos del haz incidente y de la señal detectada tras el dieléctrico.

La primera parte del experimento se ocupa de la geometría angular. El objetivo no es solo comprobar el ángulo de reflexión, sino entender qué ocurre con la señal detectada cuando el sistema entra en el régimen donde ya no hay propagación libre en la región intermedia. Ahí aparece la cuestión física importante: si al otro lado aún se mide campo, no se trata de una transmisión ordinaria como la de un haz que atraviesa un medio homogéneo, sino del efecto de un campo evanescente que se acopla de nuevo al sistema.

Trabajar esta parte con microondas tiene una ventaja didáctica enorme. Permite recorrer el espacio con la sonda, identificar la dirección de máxima señal y relacionar directamente la medida con la geometría del montaje. El experimento deja así de ser una analogía verbal y se convierte en una comparación cuantitativa entre lo que predice la óptica geométrica y lo que efectivamente registra el detector.

Parte 2: atenuación con la separación entre dieléctricos

Figura 4. Dispositivo con separación variable d para medir cómo cambia la señal transmitida al aumentar la distancia entre dieléctricos.

La segunda parte del experimento es la más cercana a la analogía con el efecto túnel. Aquí la magnitud clave ya no es el ángulo, sino la dependencia de la transmisión con la separación entre los dos medios dieléctricos. Al aumentar esa distancia, la señal detectada cae con rapidez, porque el campo evanescente pierde amplitud dentro de la región intermedia antes de poder acoplarse de nuevo al segundo bloque.

Ese comportamiento es justamente el que hace tan potente la comparación con el túnel cuántico: no porque ambos fenómenos sean idénticos, sino porque comparten una misma estructura formal. En los dos casos hay una región donde la solución no describe una propagación oscilatoria convencional y, sin embargo, sigue siendo posible obtener transmisión al otro lado. Medir cómo se atenúa esa transmisión cuando crece la barrera es lo que da a esta práctica su fuerza conceptual.

Tomando el artículo como referencia principal, esta entrada recoge por tanto el proyecto en su forma general y más fértil: una práctica experimental sobre reflexión total frustrada, ondas evanescentes y analogía electromagnética del túnel. Es uno de esos experimentos especialmente valiosos en docencia porque obliga a separar con cuidado lo que se ve, lo que se mide y lo que realmente significa cada una de esas medidas.

Año y créditos

Año académico: 1990-1991
Edición del premio: IV Premio Rotary
Título original: Medidas de la onda evanescente y del coeficiente de transmisión en ondas electromagnéticas
Autores originales: Francisco Albiol Colomer y Sergio Navas Concha
Curso: 3º
Laboratorio: Electromagnetismo
Tutor: Miguel V. Andrés Bou
Reconocimiento: Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física — Universitat de València
Publicación posterior: American Journal of Physics, 61(2), p. 165 (1993)
Fuente de la documentación: libro conmemorativo XXV Aniversario Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física, 1988-2013 y artículo posterior en American Journal of Physics

Referencias

Pedro González Marhuenda. XXV Aniversario Premio Rotary Club Valencia Centro al Fomento del Trabajo Experimental en Física, 1988-2013. Valencia: Fire Drill Ediciones, 2014. ISBN 978-84-938028-0-6.

Francisco Albiol, Sergio Navas y Miguel V. Andres. “Microwave experiments on electromagnetic evanescent waves and tunneling effect.” American Journal of Physics 61, no. 2 (1993): 165-169. https://doi.org/10.1119/1.17331.

S. Zhu, A. W. Yu, D. Hawley y R. Roy. “Frustrated total internal reflection: A demonstration and review.” American Journal of Physics 54, no. 7 (1986): 601-607. https://doi.org/10.1119/1.14514.

Su inclusión en Haz tu ciencia amplía la sección con un precedente histórico directo: experimentos universitarios pensados no solo para aprobar una práctica, sino para producir comprensión física real y, en este caso, para entrar además en la literatura docente internacional.