17. Распространение электромагнитных волн в однородной среде

Любую среду с точки зрения распространения в ней электромагнитных волн можно отнести к одной из четырех групп:

1) идеальному диэлектрику;

2) идеальному проводнику;

3) неидеальному диэлектрику;

4) неидеальному проводнику.

В неидеальном диэлектрике и неидеальном проводнике существуют и токи проводимости, и токи смещения. Ток смещения необходим, ток проводимости мешает.

Плотность такого суммарного тока в комплексной форме:

σ - удельная проводимость.

При синусоидальном характере изменения электромагнитного поля:

Поэтому плотность полного тока:

Выражение это комплексная диэлектрическая проницаемость среды.

Чем больше действительная часть выражения ε по сравнению с мнимой, тем больше ток смещения по сравнению с током проводимости. При этом для распространения электромагнитных волн ток смещения является обязательным, а ток проводимости наоборот (может вызвать нежелательные потери энергии). Рассмотрим частные случаи значений комплексной диэлектрической проницаемости в зависимости от величины удельной проводимости.

1) σ =0, ε’=ε. Такой случай соответствует идеальному диэлектрику, в котором существует только ток смещения и возникают наилучшие условия для распространения электромагнитных волн.

2) σ →∞. В формуле остается только мнимая часть. Такой случай соответствует идеальному проводнику, в котором не может быть тока смещения и не возможно движение электромагнитной энергии.

3) σ - не велико. Этот случай соответствует неидеальному диэлектрику. При этом наряду с основным током смещения существует некоторый ток проводимости, чем больше частота, тем больше и больше ток смещения. Таким образом, одно и то же вещество в зависимости от частоты может быть и проводником, и диэлектриком.

4) ε*ω/σ ≠ 0. Неидеальный проводник.

Одно и то же вещество может быть и проводником, и диэлектриком. На высоких частотах диэлектрические свойства повышаются. Глубина проникновения зависит от длины волны.

Поверхностный эффект: волна распространяется вдоль поверхности проводника, не проникая вглубь.

В среде существует небольшой ток смещения и электрическое поле небольшой напряженности, поэтому волновое сопротивление не совершенных диэлектриков очень мало.

Вывод: в проводниках плотность тока по мере его проникновения вглубь проводника быстро уменьшается, поэтому магнитное поле и ток высокой частоты распределяются лишь по наружной поверхности металлического проводника – явление поверхностного эффекта.

18. Поведение электромагнитных волн в неоднородных средах

При переходе электромагнитных волн из одной среды в другую они могут подвергаться отражению, преломлению, интерференции и дифракции.

Отражение заключается в том, что волны, падающие на границу раздела двух сред с различными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости возвращаются в ту же среду. Угол падения равен углу отражения.

Явление преломления заключается в том, что волны при переходе из среды с параметрами ε1, μ1 в среду с параметрами ε2, μ2 изменяют свою скорость распространения, вследствие чего изменяют и направление распространения.

На практике среда меняется плавно и угол падения примерно равен углу преломления.

Интерференция – явление сложения электромагнитных волн. При равных частотах складываемых волн результирующая волна (ее интенсивность) определяется сдвигом фаз между складываемыми волнами. Пример интерференции – сложение падающих и отраженных волн в длинной линии, в результате которого получаются стоячие волны.

Дифракция – способность электромагнитных волн отклоняться от прямолинейного распространения, благодаря чему волны могут огибать препятствия, на которые они падают. Дифракция возникает из-за того, что место падения волны становится источником вторичных волн. Точка падения первичной волны, становится источником волны вторичной.