- •Contents
- •Preface
- •How to use this book
- •Chapter 1 Units, constants, and conversions
- •1.1 Introduction
- •1.2 SI units
- •1.3 Physical constants
- •1.4 Converting between units
- •1.5 Dimensions
- •1.6 Miscellaneous
- •Chapter 2 Mathematics
- •2.1 Notation
- •2.2 Vectors and matrices
- •2.3 Series, summations, and progressions
- •2.5 Trigonometric and hyperbolic formulas
- •2.6 Mensuration
- •2.8 Integration
- •2.9 Special functions and polynomials
- •2.12 Laplace transforms
- •2.13 Probability and statistics
- •2.14 Numerical methods
- •Chapter 3 Dynamics and mechanics
- •3.1 Introduction
- •3.3 Gravitation
- •3.5 Rigid body dynamics
- •3.7 Generalised dynamics
- •3.8 Elasticity
- •Chapter 4 Quantum physics
- •4.1 Introduction
- •4.3 Wave mechanics
- •4.4 Hydrogenic atoms
- •4.5 Angular momentum
- •4.6 Perturbation theory
- •4.7 High energy and nuclear physics
- •Chapter 5 Thermodynamics
- •5.1 Introduction
- •5.2 Classical thermodynamics
- •5.3 Gas laws
- •5.5 Statistical thermodynamics
- •5.7 Radiation processes
- •Chapter 6 Solid state physics
- •6.1 Introduction
- •6.2 Periodic table
- •6.4 Lattice dynamics
- •6.5 Electrons in solids
- •Chapter 7 Electromagnetism
- •7.1 Introduction
- •7.4 Fields associated with media
- •7.5 Force, torque, and energy
- •7.6 LCR circuits
- •7.7 Transmission lines and waveguides
- •7.8 Waves in and out of media
- •7.9 Plasma physics
- •Chapter 8 Optics
- •8.1 Introduction
- •8.5 Geometrical optics
- •8.6 Polarisation
- •8.7 Coherence (scalar theory)
- •8.8 Line radiation
- •Chapter 9 Astrophysics
- •9.1 Introduction
- •9.3 Coordinate transformations (astronomical)
- •9.4 Observational astrophysics
- •9.5 Stellar evolution
- •9.6 Cosmology
- •Index
152 |
Electromagnetism |
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7.8 Waves in and out of media
Waves in lossless media
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∂2E |
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E |
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electric field |
|||||
Electric field |
2E = |
µ |
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(7.193) |
µ |
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permeability (= µ0µr) |
||||||||||||||
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∂t2 |
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||||||||||||||||||
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permittivity (= 0 r) |
Magnetic field |
2 |
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∂2B |
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B |
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magnetic flux density |
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||
B = µ ∂t2 |
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(7.194) |
t |
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time |
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||||||||||||||||||||
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η = √ |
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(7.195) |
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|||||
Refractive index |
rµr |
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v |
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wave phase speed |
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1 |
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c |
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||||||
Wave speed |
v = |
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= |
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(7.196) |
η |
|
refractive index |
|||||||||||
√ |
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|
η |
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|||||||||||||||
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µ |
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c |
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speed of light |
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µ0 |
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Z |
0 |
impedance of free |
||||
Impedance of free space |
Z0 = |
|
|
376.7 Ω |
(7.197) |
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||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
space |
|||||||||||||||||||||
|
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E |
|
|
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|||||
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 |
|||||
|
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||||||
c2 |
|
|
|||||||||
density |
|
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c |
speed of light |
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pn |
normal pressure |
Isotropic |
|
1 |
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u |
incident radiation |
||
pn = |
|
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(7.200) |
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||||
radiation |
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3 u(1 + R) |
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energy density |
|||||||
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R |
(power) reflectance |
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coe cient |
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||||||
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 |
|||||||
|
|
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|
Iν |
specific intensity |
From an |
pn = |
1 + R |
|
Iν (θ,φ)cos2 θ dΩ dν |
ν |
frequency |
|||||
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|||||||||
extended |
|
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||||||||
|
|
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|
c |
|
|
Ω |
solid angle |
|||
source |
b |
|
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|
(7.203) |
|||||
|
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|
θ |
angle between dΩ |
||
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and normal to plane |
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From a point |
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|
L(1 + R) |
|
L |
source luminosity |
|||||
source,c |
pn = |
|
(7.204) |
|
(i.e., radiant power) |
||||||
|
|
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|
|
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|||||
|
|
4πr2c |
|
||||||||
luminosity L |
|
|
r |
distance from source |
|||||||
|
|
|
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|
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|
|
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 |
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Antennas
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z |
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r |
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θ |
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Spherical polar geometry: |
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p |
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|
y |
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x φ |
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||
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||
Field from a short |
Er = |
1 |
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[˙p] |
|
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|
[p] |
cosθ |
(7.205) |
r |
|
distance from |
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|||||||||||||||||||||||
2π 0 |
r2c |
+ r3 |
θ |
|
angle between r and |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( |
l |
λ |
|
|
|
1 |
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[¨p] |
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|
[˙p] |
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[p] |
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dipole |
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||||||||||||
|
|
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p |
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|||||||||||||||||||||
|
) electric |
Eθ = |
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|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
sinθ |
(7.206) |
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|||||||||
|
|
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|
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|
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|
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|
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|
2 |
|
|
2 |
|
|
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3 |
[p] |
retarded dipole |
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||||||||||||||||
dipole in free |
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4π 0 |
rc |
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r c |
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r |
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|||||||||||||||||||||||
spacea |
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|
|
moment |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
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|
Bφ = |
µ0 |
|
|
|
|
[¨p] |
+ |
[˙p] |
|
|
|
sinθ |
|
|
(7.207) |
|
|
[p] = p(t− r/c) |
|
||||||||||||||||||||||
|
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|
r2 |
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||||||||||||||||||||
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4π rc |
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c |
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speed of light |
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||||||||||||||||||||
Radiation |
R = |
|
ω2l2 |
|
|
= |
2πZ0 |
|
|
|
|
l |
|
|
2 |
|
|
(7.208) |
l |
|
dipole length ( λ) |
|
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|||||||||||||||||||||
resistance of a |
6π 0c3 |
|
|
|
3 |
|
|
|
λ |
|
|
|
ω |
angular frequency |
|
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||||||||||||||||||||||||||||
short electric |
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λ |
|
wavelength |
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|||||||||||||||||||||||
dipole in free |
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|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
|
impedance of free |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
789 |
|
|
|
ohm |
(7.209) |
|
0 |
|
|
||||||||||||||||||||||
space |
|
|
|
|
|
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|
|
|
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λ |
|
space |
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||||||||||||||||||||||||||
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ΩA |
beam solid angle |
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ΩA = 4π Pn(θ,φ) dΩ |
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Pn |
normalised antenna |
|
|||||||||||||||||||||||||||
Beam solid angle |
|
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(7.210) |
|
|
power pattern |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
Pn(0,0) = 1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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dΩ |
di erential solid |
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||
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angle |
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||
Forward power |
G(0) = |
|
4π |
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|
|
|
|
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|
|
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|
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(7.211) |
G |
antenna gain |
|
|
|||||||||||||
gain |
ΩA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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7 |
|||||||||||||||||
Antenna e ective |
Ae = |
|
λ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.212) |
Ae |
e ective area |
|
|||||||||||||
area |
ΩA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||
|
|
|
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|
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|||||||||||||||||||
Power gain of a |
G(θ) = |
3 |
|
sin2 θ |
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.213) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
short dipole |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
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|
|
|
|
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|
|
|
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|
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|
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|
|
|
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|||||||
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|
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||||||
Beam e ciency |
e ciency = |
ΩM |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.214) |
ΩM |
main lobe solid |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
ΩA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
angle |
|
|
|||||||||||||||||||||||
Antenna |
|
|
1 |
|
|
4π Tb(θ,φ)Pn(θ,φ) dΩ |
|
|
|
|
TA |
antenna |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
TA = |
|
|
(7.215) |
|
|
temperature |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
temperatureb |
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ΩA |
Tb |
sky brightness |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
temperature |
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|
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|
|
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|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
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 = ηt/ηi |
(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 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
t− r = 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 = neeµ = |
|
(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 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
hν = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.241) |
|
|
θ |
|
photon scattering angle |
|
|
|||||||||||||
|
|
λ |
me |
θ |
1 − cosθ + (1/ε) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|