Ориентация векторов электромагнитного поля

3.5.5 Свойства электромагнитных волн. Взаимная ориентация векторов в электромагнитной волне в вакууме

Видеоурок: Опыты Герца. Свойства электромагнитных волн

Лекция: Свойства электромагнитных волн. Взаимная ориентация векторов в электромагнитной волне в вакууме

Опыты Максвелла доказали, что электрический ток в вакууме распространяется со скоростью, с которой движется свет, то есть 3*10 8 м/с.

При движении зарядов, которые создают ток, образуется две составляющих поля — электрическое и магнитное поле.

Ориентация векторов электромагнитного поля Опыт Герца

Чем быстрее будет происходить перемещение заряда, тем выразительнее будут электромагнитные волны. То есть, чем больше частота, тем большая интенсивность электромагнитных волн.

На частоту колебательного контура влияет индуктивность и ёмкость составляющих элементов цепи. Определить её можно по следующей формуле:

Ориентация векторов электромагнитного поля

Электромагнитные волны являются поперечными. Это значит, что колебания магнитного и электрического поля происходят в плоскостях, которые являются параллельными к распространению волны.

На графике можно рассмотреть электрическую и магнитную составляющую электромагнитной волны.

Ориентация векторов электромагнитного поля

Стоит отметить, что силовые характеристики магнитного и электрического поля находятся под углом 90 градусов друг к другу.

На графике показана длина волны, которая обозначается λ. Для её определения необходимо воспользоваться формулой:

Ориентация векторов электромагнитного поля

Ориентация векторов электромагнитного поляПравила электромагнитных волн

Электромагнитным волнам присущи все правила, справедливые для механических волн:

1. Стоит отметить, что электромагнитная волна способна отразиться от плотного металла.

2. Через диэлектрик электромагнитная волна проходит достаточно проблематично, поскольку она им поглощается.

3. Если электромагнитная волна переходит из одной среды в другую, которая отличается плотностью, то она способна преломиться.

Видео:Индукция магнитного поля | Физика 9 класс #37 | ИнфоурокСкачать

Индукция магнитного поля | Физика 9 класс #37 | Инфоурок

Поляризация электромагнитной волны

Для получения картины расположения векторов поля электромагнитной волны в пространстве необходимо ответить на последний вопрос, как ориентированы векторы , в плоскости, ортогональной направлению распространения волны ? Эта ориентация векторов создается прибором-приготовителем электромагнитной волны, или стоящим на пути ее распространения прибором-поляризатором.

Рассмотрим напряженность электрического поля , создаваемую электромагнитной волной

Ориентация векторов электромагнитного поля

Ориентация векторов электромагнитного поля

где — полю комплексных чисел.

Обозначим переменную фазу волны, как

Ориентация векторов электромагнитного поля

Тогда из (1.2) следует, что

Ориентация векторов электромагнитного поля

На самом деле, выражение (1.13) и является общим решением волнового уравнения (1.14) (запись с помощью экспоненты (1.6) просто более компактна и удобна).

Выделим в компонентном числе амплитудный множитель, согласно формуле

Ориентация векторов электромагнитного поля

В (1.14) введен вспомогательный вектор , имеющий вещественный квадрат

Ориентация векторов электромагнитного поля Ориентация векторов электромагнитного поляОриентация векторов электромагнитного поля

Квадрат же вектора является комплексной величиной.

Ясно, что приведенная цепочка равенств справедлива для комплексного числа с произвольной фазой.

Проделаем описанную выше процедуру явно, положив

Ориентация векторов электромагнитного поля

И потребуем его действительности

Ориентация векторов электромагнитного поляОриентация векторов электромагнитного поля

и ввиду (1.15) необходимо потребовать

что и является конкретным выбором фазы . Смысл этих конкретных действий состоит в том, что вектор принадлежит плоскости, ортогональной , . То есть, может быть разложен по ортогональному базису в этой плоскости, а и суть компоненты разложения. Ведем базис для поля явно. Пусть

Ориентация векторов электромагнитного поля

Последнее выражение есть сумма двух ортогональных компонент, сдвинутых по фазе на , так как в плоскости, ортогональной . Очевидно, что константы , характеризуют волну в любой момент времени при ее распространении в пространстве.

Выберем для описания следующую систему координат

Ориентация векторов электромагнитного поля

и для напряженностей электромагнитного поля , справедливо уравнение эллипса

Ориентация векторов электромагнитного поля

Рис. 2 Электрическое поле электромагнитной волны в плоскости, ортогональной направлению ее расположения

Если зафиксировать конкретную точку пространства , поле в ней со временем меняется периодически согласно (1.12). То есть электромагнитная волна может быть исследована локально в этой точке. Можно поступить и иначе — провести мысленный эксперимент, сделав мгновенную фотографию пространства. Тогда профиль волны будет периодической функцией координат. Таким образом, получается представление об электромагнитной волне, как о поле. Эти периодические в пространстве и времени поля еще раскладываются на две взаимно перпендикулярные компоненты , .

Изображенная на рис. 1.2 картина имеет место в любой момент времени t в некоторой точке P пространства. При любом измерении поля волны конец вектора принадлежит эллипсу (1.2), а его полуоси суть константы , из общего решения волнового уравнения для монохроматической волны. Две независимые компоненты вектора , называются поляризациями плоской волны. Электромагнитные волны могут быть различным образом поляризованы:

Если в результате измерения оказывается, что =, то такая волна называется поляризованной по кругу.

Если реализуется частное решение =0, то волна называется линейно поляризованной.

Волна, поляризованная по кругу, может быть представлена в виде суперпозиции двух линейно поляризованных волн. Локальные измерения в 2 последовательные моменты времени t могут показать следующие изменения ориентации вектора .

Рис. 3 Возможные ориентации векторов электромагнитной волны в два последовательных момента времени

Если поворот вектора к по кратчайшему направлению осуществляется по часовой стрелке — волна — правополяризована. В противном случае она — левополяризована.

Получим аналогичные соотношения для вектора . Действительно, из свойств электромагнитных волн 1)-3) (Так как , в поляризационном эллипсе для) следует представление для

Ориентация векторов электромагнитного поля

Рис. 4 Взаимное расположение поляризационных эллипсов для векторов электрического и магнитного полей электромагнитной волны

Тогда в системе координат (1.1) справедливо уравнение для компонент магнитного поля

Ориентация векторов электромагнитного поля

Это означает, что при любом изменении поля конец вектора принадлежит эллипсу (1.20). Взаимное положение поляризованных эллипсов для полей , показано на рис.

Видео:Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса. 10 класс.Скачать

Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса. 10 класс.

Поток энергии в электромагнитной волне

Вычислим явно поток энергии в электромагнитной волне с учетом выражения для (1.11) и разложение векторов , по поляризационному базису (1.16), (1.19). Получим выражение

Видео:Урок 222. Поток вектора напряженности электрического поляСкачать

Урок 222. Поток вектора напряженности электрического поля

Тема 5. волновые уравнения для векторов ЭМП

Однородные и неоднородные волновые уравнения для векторов ЭМП. Уравнения Даламбера. Решение однородных уравнений Даламбера. Сферическая волна. Волновой фронт. Волновые уравнения Гельмгольца.

Плоские волны как частные решения волновых уравнений. Плоская волна как предельный случай сферической волны. Решения волновых уравнений для гармонических полей в виде плоских и сферических волн.

Плоские ЭМВ в однородной изотропной среде. Отличие понятий «волна» и «колебание». Свойства плоской волны, структура и ориентация векторов ЭМП. Коэффициенты фазы и ослабления. Длина волны. Фазовая скорость, скорость распространения энергии, групповая скорость.

Характеристическое и волновое сопротивления. Ослабление ЭМВ, глубина проникновения ЭМП в вещество.

Указания к теме

Решением волновых уравнений являются функции координат и времени, которые описывают ЭМВ, распространяющиеся в свободном пространстве, направляющих системах и других устройствах. Необходимо получить четкое представление о таких понятиях, как фазовая поверхность (волновой фронт) и ее форма, однородная и неоднородная волна, затухающая волна.

Следует выучить определения длины волны, коэффициентов затухания и фазы, групповой и фазовой скоростей, волнового и характеристического сопротивлений, глубины проникновения ЭМВ в вещество.

Основные сведения

Для анализа распространяющихся ЭМВ из системы уравнений Максвелла в дифференциальной форме целесообразно вывести уравнения, которые зависят либо только от Ориентация векторов электромагнитного поля, либо только от Ориентация векторов электромагнитного поля. Если параметры среды (s, e, m) не зависят от координат и времени, то после преобразований получим [1–6]

Ориентация векторов электромагнитного поля; (5.1)

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.2)

Как показали расчеты и эксперименты, константа с ( Ориентация векторов электромагнитного поля) для ЭМП удивительным образом совпадает со значением скорости света в вакууме. Из этого был сделан вывод о том, что ЭМВ и свет имеют одну и ту же природу. В пространстве без потерь ЭМВ распространяются со скоростью света.

Уравнения (5.1) и (5.2) называют волновыми уравнениями Ж. Д’Аламбера [5, 12]. Если правая часть равна нулю, то уравнение называют однородным, а если нет – неоднородным. При отсутствии электрических зарядов (r = 0) уравнения (5.1) и (5.2) практически совпадают, что подтверждает равноправие векторов Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного поляу распространяющегося в пространстве ЭМП.

Несмотря на кажущуюся независимость уравнений (5.1) и (5.2), следует помнить о том, что у переменного ЭМП векторы Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного полясвязаны уравнениями Максвелла и не могут существовать друг без друга.

Волновые уравнения в комплексной форме имеют вид

Ориентация векторов электромагнитного поля; Ориентация векторов электромагнитного поля, (5.3)

где Ориентация векторов электромагнитного поляволновое число:

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.4)

Уравнения (5.3) называют волновыми уравнениями Г. Гельмгольца. При отсутствии потерь проводимости (s = 0) исчезают вторые слагаемые в уравнениях (5.1) и (5.2), а также в (5.3)–(5.4) возможно упрощение:

Ориентация векторов электромагнитного поля.

Рассмотренные уравнения называются волновыми потому, что их решениями являются волны и, в частности, ЭМВ.

Фазовым фронтом волны называют поверхность, проходящую через точки с одинаковыми фазами, по форме этой поверхности определяется название волны (сфера – сферическая ЭМВ, плоскость – плоская и т. д.) [1–3].

Решение однородного волнового уравнения для плоских волн

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.5)

Каждое из слагаемых выражения (5.5) описывает возмущения F1 и F2, исходящие из точки z0 в момент t = 0 и к моменту времени t приходящие в точку z = z0 – vt для F1 и в точку z = z0 + vt для F2 со скоростью v [1].

Для сферических волн решение волнового уравнения имеет вид:

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.6)

Первое слагаемое выражения (5.6) представляет собой сферическую волну, расходящуюся от источника. Второе слагаемое часто отбрасывают, поскольку волна, движущаяся внутрь источника, обычно не рассматривается [1].

В отличие от выражения (5.5) амплитуда сферической волны (5.6) уменьшается при удалении от источника как 1/r (мощность – как 1/r 2 ), что связано с тем, что мощность изотропного источника распределяется по расходящимся сферам (4.10).

Таким образом, даже при отсутствии потерь в пространстве плотность потока мощности сферической волны уменьшается с расстоянием как 1/r 2 .

На большом расстоянии от источника ЭМВ (в дальней зоне антенны) сферический волновой фронт в области приемной антенны можно аппроксимировать плоскостью, подобно тому, как земную поверхность считают плоской при малых высотах и на дистанциях, много меньших расстояния прямой видимости.

Плоская ЭМВидеализированная волна, имеющая плоский фазовый фронт (z = const), у которой существуют две взаимно перпендикулярные составляющие Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного поля, зависящие только от координаты z и расположенные в плоскости, перпендикулярной z. ЭМВ называется однородной, если ее амплитуда постоянна во всех точках фазового фронта, и неоднородной, если ее амплитуда зависит от координат точек фазового фронта.

В дальнейшем будем считать, что направление распространения ЭМВ совпадает с осью z. Уравнения Максвелла в комплексной форме для составляющих векторов плоской волны в ДСК имеют вид

Ориентация векторов электромагнитного поля; Ориентация векторов электромагнитного поля; Ориентация векторов электромагнитного поля; Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.7)

Из формул (5.7) следует, что Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного полявзаимно перпендикулярны. (Это можно доказать, рассмотрев скалярное произведение векторов [11].) В дальнейшем будем обозначать координаты этих векторов Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного поля, подчеркивая их поперечную направленность и расположение в плоскости x0y.

Ориентация векторов электромагнитного поляЗная Ориентация векторов электромагнитного поляили Ориентация векторов электромагнитного поля, можно легко найти другую поперечную составляющую и перейти к обычным координатам ( Ориентация векторов электромагнитного поля, Ориентация векторов электромагнитного поля, Ориентация векторов электромагнитного поля, Ориентация векторов электромагнитного поля).

Вектор Пойнтинга в данном случае имеет только продольную составляющую Ориентация векторов электромагнитного поля(рис. 5.1). Решение уравнений (5.3) имеет вид

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.8)

Первое слагаемое выражения (5.8) соответствует прямой волне, второе слагаемое – обратная волна, Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного поля– комплексные амплитуды данных бегущих волн (для Ориентация векторов электромагнитного поля– аналогично). Подставляя выражение (5.8) в (5.7), получим

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.9)

Запишем связь волнового числа ( Ориентация векторов электромагнитного поля) с комплексным коэффициентом распространения (g) для среды без магнитных потерь :

Ориентация векторов электромагнитного поля, (5.10)

Уравнение плоской волны с учетом (5.10) можно записать в виде

Ориентация векторов электромагнитного поля Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.11)

Для мгновенных значений из выражения (5.11) получаем

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.12)

Направление распространения ЭМВ можно определить из анализа зависимости полной фазы (5.12) Ориентация векторов электромагнитного поляот времени. Зафиксировав волновой фронт в какой-то момент времени, получаем, что если Ориентация векторов электромагнитного поля, то в следующий момент времени ЭМВ сместится в положительном направлении оси z, а при Ориентация векторов электромагнитного поляволновой фронт будет двигаться в отрицательном направлении оси z(рис. 5.2) [1].

Из анализа формул (5.10)–(5.12) очевидно, что a– это коэффициент затухания, а bкоэффициент фазы.

Подставляя формулу (5.12) в (5.1), после решения уравнений относительно a и b получаем

Ориентация векторов электромагнитного поля, (5.13)

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.14)

Множитель Ориентация векторов электромагнитного поляв выражениях (5.10)–(5.12) показывает затухание при распространении ЭМВ вдоль оси z. Чем больше a, тем больше затухание.

Ослаблением (A) ЭМВ по полю называют величину (AP = A 2 ослабление ЭМВ по мощности)

Ориентация векторов электромагнитного поля, Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.15)

На практике часто используют ослабление в децибелах (дБ):

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.16)

С ослаблением непосредственно связана глубина проникновения ЭМП в вещество ( ), называемая также толщиной поверхностного слоя (скин-слоя, но это понятие логичнее использовать для металлов):

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.17)

Ориентация векторов электромагнитного поляПри прохождении слоя вещества z =D° амплитуда ЭМП ослабляется в е (е = 2,718…) раз, и соответственно в следующий слой (рис. 5.3) проходит лишь 1/е 2 мощности ЭМП. Получается, что в поверхностном слое концентрируется 86,5% энергии ЭМП, в слое 2D°98,2%,а в слое 3D°99,8%.

Таким образом, зная коэффициент затухания, можно определить область преимущественной концентрации энергии ЭМВ в веществе.

В случае диэлектриков толщина поверхностного слоя значительна, в то время как для проводников на ВЧ и ОВЧ она составляет доли миллиметра [1].

Параметры ЭМВ. Длиной волны l называется расстояние между двумя фронтами ЭМВ, различающимися по фазе на 2p (360°):

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.18)

Фазовой скоростью vф называется скорость перемещения фазового (волнового) фронта ЭМВ. При анализе выражения (5.12) ранее были определены направление движения и скорость фронта ЭМВ

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.19)

Фазовая скорость может изменяться в любых пределах (может быть больше с!), поскольку не является скоростью переноса энергии [1].

Групповой скоростью vгр называют скорость движения фронта (например, максимума) огибающеймодулированного сигнала.

Информационный сигнал не является монохроматическим, он занимает полосу частот. Каждая спектральная составляющая может иметь свою скорость распространения, что в диспергирующих средах приводит к искажениям сигнала.

Понятие «групповая скорость» вводится для сред с малыми потерями, поэтому при Dw vф ( Ориентация векторов электромагнитного поля>0).

При Dw/w0 ® 0 период огибающей стремится в бесконечность, понятие «группа волн» распространяется на весь сигнал, и в итогеvгр ® vЭ.

Групповая скорость узкополосного сигнала – это скорость передачи энергии, она не может быть выше скорости света.

Характеристическое сопротивление (Zс) [41] ЭМВ равно отношению амплитуд поперечных составляющих электрического и магнитного полей

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.21)

Ориентация векторов электромагнитного поляПри комплексном Zс Ориентация векторов электромагнитного поляотстает или опережает по фазе вектор Ориентация векторов электромагнитного поляна некоторый угол. На рис. 5.5 вектор Ориентация векторов электромагнитного поляопережает Ориентация векторов электромагнитного поляна 90° (π/4), а на рис. 5.1 данные векторы синфазны.

Определим характеристическое сопротивление плоской волны. Пусть Ориентация векторов электромагнитного поля, а Ориентация векторов электромагнитного поля, тогда из формул (5.7) следует:

Ориентация векторов электромагнитного поля, Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.22)

Получается, что характеристическое сопротивление [41]зависит только от параметров среды. Zв называют волновым сопротивлением среды. Следует отметить, что стандартом [41] рекомендуется термин «характеристическое сопротивление». Для ЭМВ, распространяющейся в некоторой среде, Zc = Zв.

Волновое сопротивление вакуума Z0 (s = 0, e = m = 1) :

Ориентация векторов электромагнитного поля377,0 Ом. (5.23)

Тогда выражение (5.22) можно записать в виде

Ориентация векторов электромагнитного поля. (5.24)

Список рекомендуемой литературы:[1, гл. 6–7, с. 30–38; 2, с. 50–56; 3, гл. 6–7, с. 27–34; 4, с. 26–33; 5, с. 26–30; 6, с. 116–123, 128–142, 198–205; 7, с. 67–82, 250–259; 8, с. 62–68; 9, с. 69–74; 10, с. 68–73; 11, с. 67–69, 130–139; 12, с. 182–194; 13, с. 140–149, 174–177, 187–190; 15, с. 302–307].

Контрольные вопросы и задания

1. Почему рассматриваемые в этой теме уравнения называются волновыми?

2. Чем волна отличается от колебания?

3. Чем отличаются волновые уравнения Д’Аламбера и Гельмгольца?

4. Следует ли из волновых уравнений независимость электрической и магнитной составляющих ЭМП?

5. Можно ли считать свет ЭМ волной?

6. Какие упрощения возможны в волновых уравнениях для сред без потерь?

7. Можно ли по виду электрической или магнитной составляющей плоской ЭМВ определить расположение другой составляющей ЭМП и направление распространения ЭМВ?

8. При каких условиях волновые уравнения для векторов Ориентация векторов электромагнитного поляи Ориентация векторов электромагнитного поляидентичны?

9. Каково простейшее решение системы уравнений Максвелла?

10. Дайте определение волнового фронта.

11. Почему плотность потока энергии сферической волны уменьшается при удалении от источника даже в пространстве без потерь?

12. Какие упрощения в анализе ЭМП дает понятие «плоская волна»? В каких практических случаях допустимо ЭМВ считать плоской?

13. Чем отличаются однородные и неоднородные плоские волны?

14. Дайте определение коэффициентам затухания и фазы плоской ЭМВ.

15. Чем отличается волновое число k от g ?

16. Какова пространственная структура плоской ЭМВ?

17. Как определить направление распространения ЭМВ?

18. Как с помощью понятия толщины поверхностного слоя можно оценить область преимущественной концентрации ЭМП?

19. Дайте определение основным характеристикам ЭМВ.

20. Чем групповая скорость отличается от фазовой?

21. Может ли фазовая скорость иметь бесконечное значение?

22. Чем волновое сопротивление отличается от характеристического?

23. Является ли групповая скорость скоростью передачи энергии?

24. Что такое дисперсия? Приведите примеры дисперсионных сред.

25. Укажите условие неискаженной передачи сигнала.

26. Чем нормальная дисперсия отличается от аномальной?

📸 Видео

Билет №16 "Теорема о циркуляции и теорема Гаусса для магнитного поля"Скачать

Билет №16 "Теорема о циркуляции и теорема Гаусса для магнитного поля"

Урок 218. Напряженность электрического поляСкачать

Урок 218. Напряженность электрического поля

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток | Физика 9 класс #36 | ИнфоурокСкачать

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток | Физика 9 класс #36 | Инфоурок

Электромагнитное поле. Видеоурок по физике 11 классСкачать

Электромагнитное поле. Видеоурок по физике 11 класс

Правило рук 👋 КАК ЛЕГКО определять НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ??Скачать

Правило рук 👋 КАК ЛЕГКО определять НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ??

1.1 Векторы напряженности и индукции электрического и магнитного полейСкачать

1.1 Векторы напряженности и индукции электрического и магнитного полей

Что Такое Электромагнитное Поле?Скачать

Что Такое Электромагнитное Поле?

Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. 8 класс.Скачать

Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. 8 класс.

На самом деле магнитного поля не существует!Скачать

На самом деле магнитного поля не существует!

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ за 24 минуты. ЕГЭ Физика. Николай Ньютон. ТехноскулСкачать

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ за 24 минуты. ЕГЭ Физика. Николай Ньютон. Техноскул

Электромагнитное поле | Физика 9 класс #43 | ИнфоурокСкачать

Электромагнитное поле | Физика 9 класс #43 | Инфоурок

§11 Ориентация векторов в пространствеСкачать

§11 Ориентация векторов в пространстве

Физика - Магнитное полеСкачать

Физика - Магнитное поле

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ суперпозиция полейСкачать

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ суперпозиция полей

Что такое жидкие кристаллы и как из них делают экраны?Скачать

Что такое жидкие кристаллы и как из них делают экраны?
Поделиться или сохранить к себе: