13. Электромагнитные волны в идеальном диэлектрике.
Различают свободные и направленные электромагнитные волны. Свободные волны излучаются и распространяются в неограниченно свободном пространстве. Направленные волны распространяются вдоль линии передачи.
Наличие электромагнитных волн в линии объясняется тем, что в ней имеются волны напряжения и тока, а как известно напряжение неразрывно связано с электрическим полем, а ток с магнитным полем. Природа свободных и направленных волн одинаковы, поэтому основные свойства электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве можно изучить на примере двухпроводной линии работающей в режиме бегущих волн.
При исследовании электромагнитных волн можно пользоваться аналогией между напряженностью электрического и магнитного полей в диэлектрике и соответственно напряжением и током в двухпроводной линии, а также между параметрами С1 и ε, L1 и µ.
Пусть в двухпроводной линии, работающей в режиме бегущих волн, напряжение и ток будут равны:
Тогда на расстоянии х в направлении распространения волн:
По аналогии для электромагнитной волны, распространяющейся в однородном диэлектрике:
Здесь Ех, Еу, Еz – мгновенные значения составляющих напряженности электрического поля по осям x, y, z.
Здесь Нх, Ну, Нz – мгновенные значения составляющих напряженности магнитного поля по осям x, y, z.
Em и Hm – амплитуды соответственно напряженностей электрического и магнитного полей;
ρ – волновое сопротивление среды;
α – фазовая постоянная.
Выводы:
Электромагнитные волны представляют собой совокупность электрических и магнитных полей, которые изменяются синусоидально во времени, относительно неподвижного наблюдателя и распространяются вдоль оси x со скоростью V. Она зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света (3*10^8 м/с).
У электрического поля есть только ось OZ, у магнитного — только ось OY. Т.к. плотность перпендикулярна направлению распространению волны по x, то волну можно назвать поперечной электромагнитной волной.
Между амплитудой электрического и магнитного полей существует прямая пропорциональность:
Коэффициентом пропорциональности является сопротивление среды, которое выражает отношение составляющей напряженности эл. поля в поперечной плотности, к составляющей напряженности магнитного поля.
В поперечной электромагнитной волне плотность энергии электрического поля равна плотности энергии магнитного поля.
14. Основные определения теории распространения электромагнитных волн. Поляризация. Виды поляризации.
Луч – линия, вдоль которой распространяются электромагнитные волны.
Фронт волны – геометрическое место точек, в которой фазы электромагнитной волны совпадают.
Различают сферические, плоские, цилиндрические волны.
Сферические волны возбуждаются в однородной среде точечным излучателем. Фронт таких волн имеет форму сферы.
Плоские волны – в природе не существуют, но на большом расстоянии от излучателя сферических волн, сферическая волна приближается к плоской.
Цилиндрические волны излучаются прямолинейным источником большой длины (провод).
Поляризация волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Плоскость поляризации – это плоскость, проходящая через вектор электрического поля и линию распространения электромагнитных волн. На практике встречаются волны с линейной (плоской), эллиптической и круговой поляризацией.
Плоскополяризованная волна – это волна, у которой положение вектора электрического поля неизменно относительно направления распространения волны. Наиболее распространены плоские волны с вертикальной и горизонтальной поляризацией. В первом случае вектор электрического поля, а, следовательно, и плоскость поляризации расположены вертикально, а во втором – горизонтально.
Эллиптическая поляризация — это поляризация электромагнитного излучения таким образом, что кончик вектора электрического поля описывает эллипс в любой неподвижной плоскости, пересекающейся и перпендикулярной направлению распространения.
Для получения волн с эллиптической поляризацией должно произойти сложение двух волн и при этом выполняться условие:
1) эти волны имеют равную частоту;
2) плоскости поляризации складываемых волн должны быть взаимно перпендикулярны;
3) амплитуда (интенсивность) волн должна быть различна;
4) между составляющими волн имеется постоянный сдвиг по фазе.
В результирующей волне векторы электрического и магнитного полей сохраняют взаимную перпендикулярность и каждый из векторов в любой точке пространства описывает эллипс.
Круговая поляризация — состояние распространяющейся электромагнитной волны, при котором концы её электрического и магнитного векторов Е и Н в каждой точке пространства, где проходит волна, описывают окружности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Для круговой волны интенсивность должна быть одинаковая.
Для круговой или плоской интенсивность должна быть одинаковая.
Экваториальная перпендикулярна вибратору (ручке), а меридиональная плоскость вращается вокруг оси (ось лежит на этой плоскости, плоскостей может быть бесконечное количество), параллельна линии ручки.