Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

152

Electromagnetism

 

 

7.8 Waves in and out of media

Waves in lossless media

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2E

 

 

 

 

 

 

E

 

electric field

Electric field

2E =

µ

 

 

 

 

 

(7.193)

µ

 

permeability (= µ0µr)

 

 

∂t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

permittivity (= 0 r)

Magnetic field

2

 

 

 

 

 

 

 

2B

 

 

 

 

 

B

 

magnetic flux density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B = µ ∂t2

 

 

 

 

(7.194)

t

 

time

 

 

 

 

 

 

 

η =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.195)

 

 

 

Refractive index

rµr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

wave phase speed

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

Wave speed

v =

 

 

 

=

 

 

 

 

 

(7.196)

η

 

refractive index

 

 

 

 

η

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

0

impedance of free

Impedance of free space

Z0 =

 

 

376.7 Ω

(7.197)

 

 

0

 

 

 

space

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wave impedance

Z =

= Z0

 

µr

 

 

(7.198)

Z

 

wave impedance

H

 

r

H

magnetic field strength

Radiation pressurea

Radiation

 

N

 

 

 

G

momentum density

momentum

G =

 

 

(7.199)

N

Poynting vector

 

 

 

 

 

 

c2

 

 

density

 

 

 

 

 

 

 

 

c

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pn

normal pressure

Isotropic

 

1

 

 

 

 

 

u

incident radiation

pn =

 

 

 

 

(7.200)

 

 

radiation

 

3 u(1 + R)

 

energy density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

(power) reflectance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coe cient

 

 

 

 

 

 

Specular

pn = u(1 + R)cos2 θi

(7.201)

pt

tangential pressure

reflection

pt = u(1 − R)sinθi cosθi

(7.202)

θi

angle of incidence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iν

specific intensity

From an

pn =

1 + R

 

Iν (θ,φ)cos2 θ dΩ dν

ν

frequency

 

 

 

extended

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

solid angle

source

b

 

 

 

 

(7.203)

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

angle between dΩ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and normal to plane

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

From a point

 

 

L(1 + R)

 

L

source luminosity

source,c

pn =

 

(7.204)

 

(i.e., radiant power)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4πr2c

 

luminosity L

 

 

r

distance from source

 

 

 

 

 

 

 

 

aOn an opaque surface.

bIn spherical polar coordinates. See page 120 for the meaning of specific intensity. cNormal to the plane.

u

θi

z

θ dΩ

(normal)

x

φ y

7.8 Waves in and out of media

153

 

 

Antennas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical polar geometry:

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Field from a short

Er =

1

 

 

 

 

 

 

 

p]

 

 

 

[p]

cosθ

(7.205)

r

 

distance from

 

 

2π 0

r2c

+ r3

θ

 

angle between r and

 

(

l

λ

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

p]

 

 

 

p]

 

 

 

[p]

 

 

 

 

 

 

 

dipole

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

) electric

Eθ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+

 

 

 

sinθ

(7.206)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

3

[p]

retarded dipole

 

 

dipole in free

 

 

4π 0

rc

 

 

 

 

 

r c

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

spacea

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

moment

 

 

 

 

Bφ =

µ0

 

 

 

 

p]

+

p]

 

 

 

sinθ

 

 

(7.207)

 

 

[p] = p(tr/c)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4π rc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

speed of light

 

Radiation

R =

 

ω2l2

 

 

=

2πZ0

 

 

 

 

l

 

 

2

 

 

(7.208)

l

 

dipole length ( λ)

 

 

resistance of a

6π 0c3

 

 

 

3

 

 

 

λ

 

 

 

ω

angular frequency

 

 

short electric

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

wavelength

 

dipole in free

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

impedance of free

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

789

 

 

 

ohm

(7.209)

 

0

 

 

space

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

space

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

beam solid angle

 

 

 

 

 

A = 4π Pn(θ,φ) dΩ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pn

normalised antenna

 

Beam solid angle

 

 

 

 

 

 

 

(7.210)

 

 

power pattern

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pn(0,0) = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dΩ

di erential solid

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

angle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Forward power

G(0) =

 

4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.211)

G

antenna gain

 

 

gain

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Antenna e ective

Ae =

 

λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.212)

Ae

e ective area

 

area

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Power gain of a

G(θ) =

3

 

sin2 θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.213)

 

 

 

 

 

short dipole

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Beam e ciency

e ciency =

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.214)

M

main lobe solid

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

angle

 

 

Antenna

 

 

1

 

 

4π Tb(θ,φ)Pn(θ,φ) dΩ

 

 

 

 

TA

antenna

 

 

TA =

 

 

(7.215)

 

 

temperature

 

temperatureb

 

 

 

 

 

 

A

Tb

sky brightness

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

expi(kr

ωt), where k = 2π/λ.

bAll field components propagate with a further phase factor equal to

 

2

 

 

The brightness temperature of a source of specific intensity Iν is Tb = λ

 

Iν /(2kB).

154

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electromagnetism

Reflection, refraction, and transmissiona

 

 

 

 

 

parallel incidence

perpendicular incidence

E

electric field

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E i

 

 

E r

 

ηi

 

 

 

B

magnetic flux density

 

 

 

 

E i

 

 

E r

ηi

refractive index on

 

 

 

 

 

 

θi

θr

 

 

θi

θr

 

 

 

incident side

 

 

 

 

 

 

 

Bi

 

 

Br

 

 

 

ηt

refractive index on

 

 

 

 

Bi

 

 

 

Br

 

transmitted side

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θi

angle of incidence

 

 

 

E t

 

ηt

 

 

 

θr

angle of reflection

 

 

 

 

 

 

θt

angle of refraction

 

 

θt

 

 

 

θt

 

 

 

 

 

 

 

E t

 

 

 

 

 

Bt

 

 

Bt

 

 

 

Law of reflection

 

θi = θr

 

 

 

(7.216)

 

 

Snell’s lawb

ηi sinθi = ηt sinθt

(7.217)

 

 

 

 

θB Brewster’s angle of

Brewster’s law

tanθB = ηti

(7.218)

incidence for

plane-polarised

 

 

 

 

 

 

reflection (r = 0)

Fresnel equations of reflection and refraction

r

 

=

sin2θi − sin2θt

(7.219)

 

 

sin2θi + sin2θt

 

t =

 

4cosθi sinθt

(7.220)

sin2θi + sin2θt

R = r2

 

 

 

(7.221)

 

 

 

ηt cosθt

 

 

2

 

T

=

 

 

t

 

(7.222)

 

 

 

 

 

ηi cosθi

 

 

 

Coe cients for normal incidencec

 

 

 

2

 

 

 

 

R =

(ηi ηt)2

 

 

 

(7.227)

 

 

 

(ηi + ηt)

 

 

 

 

T =

 

4ηiηt

 

 

 

(7.228)

(ηi + ηt)2

 

R + T = 1

 

 

 

(7.229)

r

 

=

sin(θi θt)

 

 

 

 

sin(θi + θt)

t =

2cosθi sinθt

 

 

sin(θi + θt)

R

 

= r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ηt cosθt

2

 

T

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ηi cosθi

r =

 

ηi ηt

 

 

 

 

 

 

 

ηi + ηt

 

 

t =

 

 

2ηi

 

 

 

 

ηi + ηt

 

 

 

 

 

 

 

 

tr = 1

(7.223)

(7.224)

(7.225)

(7.226)

(7.230)

(7.231)

(7.232)

 

electric field parallel to the plane of

 

electric field perpendicular to the

 

incidence

 

plane of incidence

R

(power) reflectance coe cient

r

amplitude reflection coe cient

T

(power) transmittance coe cient

t

amplitude transmission coe cient

aFor the plane boundary between lossless dielectric media. All coe cients refer to the electric field component and whether it is parallel or perpendicular to the plane of incidence. Perpendicular components are out of the paper.

bThe incident wave su ers total internal reflection if ηi sinθi > 1.

ηt

cI.e., θi = 0. Use the diagram labelled “perpendicular incidence” for correct phases.

7.8 Waves in and out of media

155

 

 

Propagation in conducting mediaa

 

 

 

 

 

 

 

σ

electrical conductivity

Electrical

 

nee2

 

 

ne

electron number density

conductivity

σ = ne=

 

(7.233)

 

 

 

 

τc

 

τc

electron relaxation time

 

 

 

(B = 0)

 

 

me

 

 

µ

electron mobility

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

magnetic flux density

 

 

 

 

 

 

 

me

electron mass

Refractive index

η = (1 + i)

 

 

 

 

σ

1/2

e

electronic charge

of an ohmic

(7.234)

conductorb

4πν 0

η

refractive index

 

 

 

 

 

 

 

0

permittivity of free space

Skin depth in an

δ = (µ0σπν)−1/2

 

 

ν

frequency

 

(7.235)

δ

skin depth

ohmic conductor

 

 

 

 

 

 

 

µ0

permeability of free space

 

 

 

 

 

 

 

aAssuming a relative permeability, µr, of 1.

bTaking the wave to have an e−iωt time dependence, and the low-frequency limit (σ 2πν 0).

Electron scattering processesa

Rayleigh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σR

 

Rayleigh cross section

 

 

 

 

 

 

 

 

ω4α2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

radiation angular frequency

 

 

scattering

 

σR =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.236)

 

 

 

 

 

cross sectionb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

particle polarisability

 

 

 

 

 

 

6π 0c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

permittivity of free space

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8π

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thomson

 

σT =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.237)

 

 

σT

 

Thomson cross section

 

 

 

 

3

 

 

4π 0mec2

 

 

 

me

 

electron (rest) mass

 

 

 

scattering

 

 

8π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

re

 

classical electron radius

 

 

cross sectionc

 

=

 

re2 6.652 × 10−29 m2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

c

 

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.238)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ptot

 

electron energy loss rate

 

 

Inverse

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

urad

 

radiation energy density

 

 

Compton

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ptot = 3 σTcuradγ

 

c2

 

(7.239)

 

 

γ

 

Lorentz factor = [1 − (v/c)2]−1/2

 

7

scatteringd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

electron speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Compton

 

λ λ =

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

scatteringe

 

 

 

(1 − cosθ)

(7.240)

 

 

λ,λ

 

incident & scattered wavelengths

 

 

 

mec

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mec2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν,ν

 

incident & scattered frequencies

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.241)

 

 

θ

 

photon scattering angle

 

 

 

 

λ

me

θ

1 − cosθ + (1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

electron Compton wavelength

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mec

 

 

 

 

 

 

φ

 

cotφ = (1 + ε)tan

θ

 

 

 

(7.242)

 

 

ε

 

= hν/(mec2)

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σKN Klein–Nishina cross section

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πr2

&1 −

2(

ε+ 1)

ln(2ε+ 1) +

1

 

 

4

1

'

 

 

 

 

 

σKN =

 

 

e

 

 

 

 

 

+

 

 

 

(7.243)

 

 

Klein–Nishina

 

 

 

ε

 

 

ε2

2

 

ε

2(2ε+ 1)2

 

 

cross section

 

σT

(ε 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.244)

 

 

(for a free

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πr2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

electron)

 

 

 

 

 

 

e

 

ln2ε+

 

 

(ε 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.245)

 

 

 

 

 

 

 

ε

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aFor Rutherford scattering see page 72.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bScattering by bound electrons.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dScattering from free electrons, ε 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

e Electron energy loss rate due to photon scattering in the Thomson limit (γhν mec ).

 

 

 

From an electron at rest.