Исследование волновых явлений электромагнитного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пензенский государственный университет

Факультет приборостроения, инновационных технологий и электроники

Кафедра нано - и микроэлектроники

Реферат

по курсу: «История электронной техники».

Исследование волновых явлений электромагнитного поля.

Выполнил студент группы 14ЕЮ1:

Холматов Б.А.

Проверил: Карпанин О.В.

Пенза 2014

Содержание

1. Электромагнитное поля

2. История открытия

3. Классификация

4. Излучения электромагнитное поля

5. Вводное замечания

6. Список использованных источников

1. Электромагнитное поля

Электромагнитное поле -- фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета -- каждое зависит от обоих -- электрического и магнитного -- в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонента напряжённости магнитного поля(или -- магнитной индукции)^{[~ 1]}, а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом -- в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) -- предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами)^{[~ 2]}. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью -- скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет),рентгеновское излучение и гамма-излучение.

2. История открытия

Известные ещё со времён античности электричество и магнетизм до начала XIX в. считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явленияэлектромагнитной индукции -- возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого -- электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории -- предсказание существования электромагнитных волн -- не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамкахквантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепциикалибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей -- абелевым калибровочным полем).

3. Классификация

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть поле:

1. Безмассовое: Параметр m (масса) в уравнении Клейна-Гордонадля электромагнитного поля равен нулю (иначе говоря, это означает, что электромагнитный потенциал подчиняется -- в определённой калибровке -- просто волновому уравнению. С этим связан факт, что фотон (в вакууме) нельзя -- как и любую безмассовую частицу -- остановить, он всегда движется с одной и той же скоростью --скоростью света.

2. Абелево: В наиболее простой интерпретации это означает, что электромагнитное поле непосредственно не взаимодействует само с собой, то есть что электромагнитное не имеет электрического заряда. Фотон не может сам непосредственно излучить или поглотить другой фотон.

3. Векторное: При применении терминов в узком смысле калибровочными считаются только векторные поля; но мы, во всяком случае, обозначим здесь векторный характер электромагнитного поля явно

4. Калибровочное: Калибровочным электромагнитное поле является при рассмотрении его во взаимодействии с электрически заряженными частицами; понятие калибровочного поля всегда подразумевает подобное взаимодействие (подобное в каком-то смысле; конкретный способ взаимодействия может заметно отличаться).

Его калибровочная группа -- группа U(1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле -- единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) -- (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

4. Физическое свойства

электромагнитный поле электродинамика максвелл

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия - предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой - квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач - очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) -- безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определенной частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие -- это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле -- одно из фундаментальных полей.

Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно -- электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено ее отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, а также теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них, по меньшей мере, недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

5. Излучение электромагнитных волн

Неоднородные волновые уравнения для векторов гармонических электромагнитных полей. Скалярный и векторный электродинамические потенциалы гармонических полей. Электромагнитное поле произвольного источника.

Элементарный электрический излучатель. Определение векторов электромагнитного поля, создаваемого элементарным электрическим излучателем в однородной неграничной изотропной среде. Анализ структуры поля. Особенности поля в ближней зоне. Поле излучателя в дальней зоне: ориентация векторов электромагнитного поля, фронт волны, фазовая скорость, характеристическое сопротивление. Диаграмма направленности элементарного электрического излучателя, коэффициент направленного действия. Излучаемая мощность и сопротивление излучения.

Элементарный магнитный излучатель. Использование принципа двойственности для определения векторов электромагнитного поля, создаваемого элементарным магнитным излучателем в неограниченной однородной изотропной среде.

Элемент Гюйгенса. Структура поля элемента Гюйгенса.

Рисунок 1 Электромагнитное поле Распространение электромагнитных волн

Перейдем теперь к изучению нового объекта: плазмы. Плазмой называется система состоящая из положительно и отрицательно заряженных частиц, обладающая квазинейтральностью (полный заряд равен нулю, но локально нейтральность может нарушаться). Часто плазму называют четвертым состоянием вещества. Плазму можно встретиь в звездах, в верхних слоях отмосферы, в установках по получению термоядерного синтеза, газоразрядных лампах, в твердых телах.

Волновые явления на границе раздела двух сред.

Плоские волны произвольной ориентации.

В предыдущих параграфах мы рассматривали плоские волны, распространяющиеся вдоль осей декартовой системы. Признаком распространения является .

Рисунок 2 Графика

Предполагаем, что среда без потерь.

где ,

Формула 1.

Косинусы углов, определяющих направление волны, называются направляющими.

Уравнение фазовой плоскости :

(=const):

Где

Формула 2.

Тогда скалярное произведение:

Формула 3.

Формула 4.

Мы предполагали, что среда без потерь. В случае среды с потерями соотношения не меняются, только вместо k подставляется g =b -- ja. Перед началом рассмотрения волновых явлений дадим ряд определений.

Плоскость, проходящая через нормаль к границе раздела и параллельно направлению распространению волны, называется плоскостью падения. Вектор перпендикулярен направлению распространения волны, а относительно плоскости падения волны он ориентирован произвольным образом.

Не теряя обобщенности рассуждений, достаточно рассмотреть два случая ориентации .

1.) перпендикулярен плоскости падения (нормальная поляризация)

2.) параллелен плоскости падения (параллельная поляризация)

При произвольной ориентации вектора , он может быть представлен как суперпозиция двух этих случаев.

Падение плоской волны на границу раздела двух диэлектриков.

Графика 2

Вводное замечание.

Рассмотрим падение плоской волны на плоскую границу раздела сред. Среды предполагаются без потерь. Будем полагать, что плоскость падения совпадает с плоскостью xOy декартовой системы координат. Угол между направлением распространения и осью x называется углом падения. Граница раздела сред совпадает с плоскостью yOz. Направляющие косинусы будут определяться следующим соотношением:

т.е. фазовый множитель:

где

Нормальная поляризация.

В общем случае:

Уравнения1.

Уравнения 2.

В данном случае вектор направлен так же как ось у.

Графика 4

Фазовый множитель:

;

Можно записать уравнение падающей волны. Подставляя предыдущие замечания в уравнения (1) и (2), получим:

В общем случае, в результате падения волны на границу, падающая волна полностью или частично отражается или преломляется.Естественно предположить, что отраженная и преломленная волны являются также плоскими, линейно поляризованными. Полагаем, что направление распространения падающей, отраженной и преломленной волн находится в плоскости xOz. Полагаем, что отраженная и преломленная волны, так же как и падающая, являются нормально поляризованными. Тогда для отраженной и преломленной волн можно записать:

где ; .

Уравнения 4.

В данном случае являются известными характеристики падающей волны j, . Искомыми являются jў, jn, , . Если в результате решения задачи нам удастся получить решение, которое удовлетворяет следующим граничным условиям:

;

Уравнения 5.

то, в соответствии с теоремой единственности, найденное решение будет верным и единственно возможным. Соотношения (9) должны выполняться во всех точках границы раздела, которая совпадает с осью z, т.е. при любых z граничные условия (9) должны выполняться. Это возможно, если падающая, отраженная и преломленная волны имеют одинаковую зависимость по z.

Уравнения 6.

Уравнения 7.

Учитывая, что угол jў имеет пределы , а угол j имеет пределы , мы делаем заключение, что:

Уравнения 8.

При анализе подобных задач обычно предпочитают пользоваться не углом jў, а дополняющим углом jо -- углом отражения:

Уравнения 9.

Подставляя соотношение (8) в (7), получим: (9)-- первый закон Снелиуса.

Воспользуемся соотношением (6) из которого следует, что:

Уравнения 10.

Уравнения 11.

Соотношение (10), записанное в форме (11), называется вторым законом Снелиуса.

Отношение синуса угла отражения к синусу угла падения равно относительному коэффициенту преломления. Граничное условие (9) записывается следующим образом:

, x = 0

Уравнения 12.

, x = 0

Уравнения 13.

где учтено, что тангенциальные компоненты в первой среде образуются падающей и отраженной волнами, а тангенциальные компоненты во второй среде образуются преломленными волнами. Подставляя в соотношения (12), (13) соответствующие компоненты из соотношений (3) -- (8), получим:

, x=0

Уравнения 14.

,x=0

Уравнения 15

Учитывая одинаковую зависимость по z, можно отметить, что все фазовые множители одинаковые и их можно сократить. Кроме того, , получим:

Уравнения 16.

Уравнения 17.

Амплитуда отраженной и преломленной волн пропорциональна , т.е. , -- коэффициент отражения, -- коэффициент преломления.

Уравнения 18.

Решая эту систему, получим:

Уравнения 19.

Коэффициенты отражения и преломления часто называют коэффициентами Френеля.

В соотношении (24) угол преломления можно исключить, используя закон Снелиуса.

Теперь можем записать результирующее поле в первой и второй средах, где учтено, что и :

Выражения для R и T справедливы, если одна или обе среды обладают конечной проводимостью.

На прошлых лекциях мы рассмотрели простейшие модели диэлектриков, проводников и полупроводников, вычислили их диэлектрические проницаемости и проводимости. На этой лекции, используя эти результаты, мы рассмотрим распространение нормальных электромагнитных волн в этих средах, отражение и поглощение волн. Начнем с рассмотрения нормальных электромагнитных волн в диэлектриках. Рассмотрим область частот вблизи одной из резонансных частот и предположим, что затухание мало.

6. Список использованных источников

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/электромагнитного-поля.

2. http://www.physel.ru/mainmenu-48/r--mainmenu-52/543-s-33-r-.html.

3. www.vifsinrf.ru.

Размещено на Allbest.ru