background image

8. Fale elektromagnetyczne. 

 

8.1.Wyprowadzenie równania falowego. 

 

Własności operatorów. 

 

1. 

(

)

( )

2

2

2

2

2

2

2

z

y

x

grad

div

+

+

=

Δ

=

=

=

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

r

r

 

2. 

(

)

(

)

0

0

=

×

=

×

=

ϕ

ϕ

ϕ

3

2

1

r

r

r

r

grad

rot

 

Przykład: 
Skoro       

E

V

E

gradV

r

r

r

=

=

 

więc        

(

)

( )

0

0

=

×

=

×

=

=

E

V

E

rot

gradV

rot

r

r

r

r

r

 co 

oznacza, 

że pole 

elektryczne jest bezwirowe. 

 

3. 

( )

(

)

z

y

x

A

A

A

z

y

x

k

j

i

A

A

rot

div

=

×

=

ˆ

ˆ

ˆ

r

r

r

r

r

 

wynik jest wielkością skalarną. 

Przykład: 

( )

(

)

0

0

0

=

×

=

3

2

1

r

r

r

r

E

E

rot

div

 

      pole elektryczne jest bezwirowe 

 
 

Fala elektromagnetyczna w próżni. 

 

0

=

E

div

r

 

⇔         brak ładunków 

0

=

B

rot

r

 

⇔         brak prądu 

( )

1

dt

B

d

E

rot

r

r

=

 

( )

2

0

0

dt

E

d

B

rot

r

r

ε

μ

=

 

Obliczamy rotację równania (1): 

Prawa strona:   

(

)

(

)

3

2

1

r

r

r

r

r

r

r

dt

dE

B

dt

d

dt

B

d

E

0

0

ε

μ

×

=

⎟⎟

⎜⎜

×

=

×

×

 

Lewa strona:      

(

)

( )

3

2

1

r

r

r

r

r

r

r

r

0

2

=

+

−∇

=

×

×

E

div

E

E

E

 

background image

A więc:  

2

2

0

0

2

dt

E

d

E

ε

μ

=

r

 

czyli  

2

2

0

0

2

dt

E

d

E

ε

μ

=

r

 jest 

to 

”część elektryczna” równania falowego. 

Analogicznie dla równania (2): 

(

)

(

)

3

2

1

r

r

r

r

r

r

r

r

r

dt

B

d

E

rot

E

dt

d

dt

E

d

B

=

×

=

⎟⎟

⎜⎜

×

=

×

×

ε

μ

ε

μ

0

0

0

 

czyli   

(

)

2

2

0

0

dt

B

d

B

r

r

r

r

ε

μ

=

×

×

 

druga strona równania (2): 

(

)

( )

3

2

1

r

r

r

r

r

r

r

r

0

2

=

+

−∇

=

×

×

B

div

B

B

B

 

łącząc obie strony otrzymamy 

2

2

0

0

2

dt

B

d

B

r

r

ε

μ

=

 

to równanie jest „częścią 

magnetyczną” równania falowego dla fali elektromagnetycznej w próżni. 

Przypominając równanie 3-wymiarowej fali płaskiej: 

2

2

2

2

1

dt

d

v

ξ

ξ

=

 

zauważymy, że dla fali elektromagnetycznej w próżni 

0

0

0

0

2

1

1

ε

μ

ε

μ

=

=

c

c

 

 

8.2. Fala elektromagnetyczna w ośrodku – zależności pomiędzy prędkością, 

współczynnikiem załamania (n), a stałymi przenikalności magnetycznej i 

elektrycznej. 

Równania fali dla ośrodka: 

2

2

0

0

2

dt

E

d

E

εε

μμ

=

r

 

2

2

0

0

2

dt

B

d

B

r

r

εε

μμ

=

 

zatem  

0

0

0

0

2

1

1

εε

μμ

εε

μμ

=

=

v

v

 

Bezwzględny współczynnik załamania fali elektromagnetycznej: 

με

=

=

v

c

n

 

 

background image

8.3. Energia fali elektromagnetycznej w próżni. 

Założenie: 

Fala rozchodzi się w kierunku osi OX: 

E

x

 = E

z

 = 0; E

y

 = E 

 

 

 

 

 

 

B

x

 = B

y

 = 0; B

z

 = B 

E(x,t) = E

m

⋅cos(ωt-kx) 

B(x,t) = B

m

⋅cos(ωt-kx)                                               

3

2

1

r

r

0

ˆ

ˆ

0

0

ˆ

ˆ

ˆ

z

E

i

x

E

k

E

z

y

x

k

j

i

E

y

y

y

=

=

×

 

 

(

)

(

)

kx

t

B

kx

t

E

dt

dB

dx

dE

m

m

z

y

+

=

=

ω

ω

ω

sin

sin

 

A więc 

k

B

E

m

m

ω

=

 

x

B

j

y

B

i

B

z

y

x

k

j

i

B

z

z

z

=

=

×

ˆ

ˆ

0

0

ˆ

ˆ

ˆ

0

3

2

1

r

r

 

(

)

(

)

kx

t

E

kx

t

k

B

dt

dE

dx

dBz

m

m

y

=

=

ω

ω

ε

μ

ω

ε

μ

sin

sin

0

0

0

0

 

 

A więc 

k

E

B

m

m

ω

ε

μ

0

0

=

 

Czyli 

0

0

2

2

0

0

ε

μ

ε

μ

=

=

m

m

m

m

m

m

E

B

B

E

E

B

  

a więc

c

B

E

m

m

=  

 

background image

Energia całkowita gęstości energii pola E i B

0

2

2

0

2

2

μ

ε

B

E

U

U

U

B

E

+

=

+

=

 

Skoro  

2

0

0

0

0

2

2

0

0

0

2

2

2

2

E

E

E

U

E

B

ε

μ

ε

μ

ε

ε

μ

=

+

=

=

 - gęstość energii całkowitej, fali 

elektromagnetycznej jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy pola E i B

0

2

0

2

0

2

0

0

2

0

2

2

μ

μ

μ

ε

μ

ε

B

U

B

B

B

U

=

=

+

=

 

 

Dla ośrodka: 

2

0

0

2

0

2

2

0

;

E

B

B

U

E

U

εε

μμ

μμ

εε

=

=

=

 

v

B

E

B

E

m

m

=

=

0

0

2

2

1

εε

μμ

 

 

 

8.4. Wektor Poyntinga.  

(

)

⎥⎦

⎢⎣

×

=

2

0

1

m

W

B

E

S

r

r

r

μ

 wyraża szybkość przepływu energii przez jednostkową 

powierzchnię. Wektory E i B są chwilowymi wartościami pola elektromagnetycznego w 

rozpatrywanym punkcie przestrzeni. 

 

Przykład 1:

Radiostacja o mocy P

0

 = 30 kW wysyła izotropowo falę elektromagnetyczną. Obliczyć 

natężenie sygnału (moc/powierzchnia) odbieranego w odległości r = 10 km. 

Średnia wartość 

⎥⎦

⎢⎣

=

=

2

2

0

24

4

m

W

r

P

S

μ

π

 

B

c

E

bo

E

c

EB

S

=

=

=

2

0

0

1

1

μ

μ

 

Pole 

 

( )

t

E

t

E

m

ω

2

2

sin

=

Średnia wartość 

( )

2

1

2

2

0

2

m

m

E

c

S

E

t

E

μ

=

=

 

background image

Ostatecznie:   amplituda 

⎥⎦

⎢⎣

=

=

m

V

E

cP

r

E

m

m

13

,

0

2

1

0

0

π

μ

 

  amplituda 

[ ]

T

B

c

E

B

m

m

m

10

,

10

4

=

=

  - pole B jest bardzo małe! 

 

Przykład 2:  

Założenia: j = const 

        E

 - j

 

ednorodne

=

i

l

d

0

μ

B

r

o

r

 

 

 

 

=

A

d

j

i

r

o

r

  gdzie    A – przekrój  

 

 

 

 

 

         przewodnika 

 

 

 

=

A

d

j

l

d

B

r

o

r

r

o

r

0

μ

 

Czyli:   

2

2

0

2

0

jr

B

r

j

r

B

μ

π

μ

π

=

=

 

B

Φ

j

E

r

r

=

ρ

    gdzie 

ρ

 - opór właściwy przewodnika 

Stąd   

2

2

1

1

2

2

0

0

0

r

j

r

j

EB

S

=

=

=

ρ

μ

ρ

μ

μ

 

Wektor Poyntinga   S 

∼ j

2

Strumień wektora Poyntinga  

Φ

S

 : 

=

Φ

F

d

S

S

r

o

r

   gdzie  F = 2

π

rl – powierzchnia pobocznicy walca (przewodnika) 

{

.

.

2

2

2

2

2

2

przew

obj

S

l

r

j

rl

r

j

rl

S

π

ρ

π

ρ

π

=

=

=

Φ

 

⎥⎦

⎢⎣

=

Φ

3

2

m

W

j

V

S

ρ

 

Moc: 

{

.

.

2

2

2

2

przew

obj

l

A

j

A

l

A

j

R

i

Ui

P

=

=

=

=

ρ

ρ

 

Zatem 

⎥⎦

⎢⎣

=

3

2

m

W

j

V

P

ρ

 

Strumień gęstości mocy fali elektromagnetycznej, wektora Poyntinga jest równy mocy 

wydzielonej w przewodniku. 

 

 

 

background image

Falowód, wnęka rezonansowa. 

 

h

X

X

X

X

X

X

X

X

 B 

 E 

 

 

 

 

 

 

 

Rura metalowa 

 

 

      Wnęka rezonansowa 

Z prawa Faraday’a: 

Φ

=

dt

d

l

d

E

B

r

o

r

    

Z całkowania po konturze (linia przerywana) :  

=

h

E

l

d

E

r

o

r

 

Stąd 

dt

d

E

dt

d

h

E

B

B

Φ

Φ

=

~

1

 

Z prawa Amper’a: 

+

Φ

=

i

dt

d

l

d

B

E

0

0

0

μ

ε

μ

r

o

r

   

ale ponieważ ładunek nie przepływa, więc = 0 

zatem 

Φ

=

dt

d

l

d

B

E

0

0

ε

μ

r

o

r

 

stąd  

dt

d

B

dt

d

r

B

dt

d

r

B

E

E

E

Φ

Φ

=

Φ

=

~

2

2

0

0

0

0

π

ε

μ

ε

μ

π

 

 

8.5. Widmo fali elektromagnetycznej. 

 

Zakres widzialny:  450 

÷ 650  ⋅10

-9

 m (nm) 

background image

 

Czułość 
oka [%] 

400 

         500    600 

   700   [

μm] 

 

Krzywa czułości oka jest cechą 

indywidualną. Środek obszaru 

widzialnego – ok. 550 nm 

 

 

 

 

Energia i pęd

Energia fali – wektor Poyntinga 

⎥⎦

⎢⎣

×

=

2

0

1

m

W

B

E

S

r

r

r

μ

 

Pęd – wywieranie ciśnienia przez fale elektromagnetyczną: 

Doświadczenia: Nicholas i Hull (1903) pomiar ciśnienia promieniowania. 

Maxwell – fala elektromagnetyczna (~1870) 

-

F

E

 

v

 

B

 

y

 

x

 

Płaska fala świetlna padająca na cienką płytę o dużym oporze 

właściwym 

ρ

x

B

t

B

B

y

E

t

E

E

m

m

ω

ω

sin

sin

=

=

  - fala pada w kierunku osi Z 

siła pola E  =  siła tłumienia 

 

 

 

 

eE = bv

u

   gdzie b – współczynnik tłumienia e

stąd 

b

eE

v

u

=

 prędkość elektronu 

ruch oscylacyjny elektronu w środowisku „lepkim” (duże 

ρ

). Częstość zmiany pola 

 v

u

Składowa magnetyczna 

b

EB

e

evB

F

z

2

=

=

 

Z II zasady dynamiki:  

b

EB

e

F

dt

dp

z

e

2

=

=

   - pęd jest przekazywany każdemu 

elektronowi płyty (a więc całej płycie). 

Moc = 

( )

=

=

b

eE

eE

Fv

dt

dU

dt

dU

e

 

c

B

E

b

EBc

e

dt

dU

e

=

=

2

   jest to równanie szybkości absorpcji energii przez jeden 

elektron. 

background image

dt

dU

c

dt

dp

e

e

1

=

 

c

U

p

dt

dt

dU

c

dt

dp

e

e

t

t

e

e

=

=

0

0

1

 

p

e

 – pęd przekazany jednemu elektronowi; U

e

 – energia zaabsorbowana przez jeden elektron. 

Mnożąc te wielkości przez liczbę elektronów swobodnych otrzymujemy całkowity pęd i 

całkowitą energię przekazaną płycie. 

Doświadczenie Nicholsa i Hulla – wahadło torsyjne 

 

Θ

  siła jest proporcjonalna do kąta skręcenia 

zawieszenie 
wahadła 

zwierciadła 

Wiązka światła

Przykład: 

Pada promieniowanie 10 W/cm

2

  przez 1 h. 

U = 10 [W/cm

2

]

1 cm

2

3600 s = 3,6

10

4

 J 

s

m

kg

s

m

J

c

U

p

=

=

=

4

8

4

10

4

,

2

10

3

10

6

,

3

2

2

 

N

t

p

F

8

4

10

7

,

6

3600

10

4

,

2

=

=

=