ZADANIE 1

Pole elektryczne fali w dielektryku bezstratnym o εw = 9 wyraża się r r

zależnością:

− j z

E = i E e β

x

0

gdzie: E – stała rzeczywista.

0

Obliczyć chwilowe, średnie w czasie i maksymalne wartości gęstości energii elektrycznej i magnetycznej oraz wartość powierzchniowej gęstości mocy niesionej przez falę.

Zespolony wektor natężenia pola magnetycznego: r

1 r r

1 r

H =

n × E =

i × r

E

Z

z

Z

r r E

Z

r

0

− jβ

− j z

0

0 z

H = i

e

=

0

i H e β

Z =

= 40π

y Z

y

0

ε w

K 04

1

ZADANIE 1 (2)

Wektory rzeczywiste pól:

r r

E = i E cos(ω t − β z) x

0

r

r

H = i H cos(ω t − β z) y

0

Chwilowa gęstość energii pola elektrycznego: r

1 r r

1

 J 

w ( r, t) = D ⋅ E =

2

2

ε ε E cos (ω t − β z) e

2

0

0

2 w

3

m 

Chwilowa gęstość energii pola magnetycznego: w = w

e

m

r

1 r r

1

 J 

w ( r, t) = B⋅ H =

2

2

µ H cos (ω t − β z) m

2

0

0

2

3

m 

2

2

2

µ

E

E

H =

0

ε µ

=

0

2

ε ε µ

= ε ε E

0

0

w

0

2

Z

w 0

0

w 0

0

µ

0

0

K 04

2

1

ZADANIE 2

Jaka jest relacja między powierzchniową gęstością mocy fali a gęstością objętościową energii w przypadku ośrodków bezstratnych?

• Objętościowa gęstość energii pola elektrycznego fali płaskiej: 1

2

1

1

w = ε E ( t) = ε E( t) Z H( t) =

µεE( t)H( t)

e

2

2

2

• Objętościowa gęstość energii pola magnetycznego fali płaskiej: 1

2

1

1

1

w = µH ( t) = µH( t) E( t) =

µεE( t)H( t)

m

2

2

Z

2

• Całkowita gęstość energii pola elektromagnetycznego: w = w + w =

e

m

µεE( t)H( t)

• Powierzchniowa gęstość mocy fali:

r

r r

1

S = E × H = E(t)H(t)=

w = cw

µε

K 04

3

ZADANIE 3

W ośrodku stratnym o znanej impedancji Z = |Z|ejφ rozchodzi się fala o znanym zespolonym wektorze natężenia pola elektrycznego: r r

r

r

V

E( r ) i E exp γ z ji 2 E exp γ z



=

−

+

−

.

x

0

(

)

y

0

(

) m

gdzie:

γ = α jest znane.

+ jβ

Obliczyć:

a) chwilową i średnią wartość powierzchniowej gęstości mocy; b) chwilową i średnią gęstość energii elektrycznej.

K 04

4

2

ZADANIE 3 (2)

Zespolony wektor natężenia pola magnetycznego: r

1 r r

1 r

H =

n × E =

i × r

E

Z

z

Z

π

π



j

r

r

r

 −β z

E





j

r

r

 −β z

E

ϕ

−



−α

− β

E





0

z

j z

0

−α z

 2

H

i

e e

i 2

e e



=

−

= 0 −α z

j(−β z ϕ

− )

 2

e

 i e

− i 2e



y

x



Z

Z

y

x

Z





Wektory rzeczywiste pól:

r r

r

E = i E e−α z cos(ω t − β z) − i 2 E e−α z sin(ω t − β z) x

0

y

0

r

r E −α

r E

0

z

0

H = i 2

e

sin(ω t − β z −ϕ) + i e−α z cos(ω t − β z −ϕ) x

y

Z

Z

K 04

5

ZADANIE 3 (3)

Wektor Poyntinga:

r

r

r

i

i

i

x

y

z

r r r

E e−α z cos(ω t − β z)

−2 E e−α z sin(ω t − β z) 0

S = E × H =

0

0

E −α

E

0

z

0

2

e

sin(ω t − β z −ϕ)

e−α z cos(ω t − β z −ϕ ) 0

Z

Z

2

r E 0 2

= i

e− α z cos(ω t − β z)cos(ω t − β z −ϕ) z Z

2

r E 0 2

+ i 4

e− α z sin(ω t − β z)sin(ω t − β z −ϕ) z

Z

Chwilowa wartość powierzchniowej gęstości mocy: 2

r

E 0 2

S =

e− α z [cos(ω t − β z)cos(ω t − β z −ϕ) + 4sin(ω t − β z)sin(ω t − β z −ϕ )]

Z

K 04

6

3

ZADANIE 3 (4)

Zespolony wektor Poyntinga:

r

r

r

i

i

i

x

y

z

r

r

r

π

j

β z

−



S

E H ∗

= ×

=

−α z − jβ z

−α z

 2

E e e

2 E e e



0

0

0

π

j +β z

E

ϕ 

α

+ 

−

E

0

z

 2



0

−α z j(β z ϕ

+ )

2

e e

e e

0

Z

Z

2

E 0 2

= r i 5

e− α z e jϕ

z

Z

Średnia wartość powierzchniowej gęstości mocy: r

1

{ r

r

r

2

5 E

S } 1

S

Re

Re{ E H ∗

=

=

×

} =

0

2

e− α z cosϕ

2

2

2 Z

K 04

7

ZADANIE 4

Płaszczyzna z = 0 jest granicą dwóch ośrodków – próżni i bezstratnego dielektryka o εw = 4.

Zapisać przykładowo zespolone i rzeczywiste wektory pola elektrycznego i magnetycznego fali padającej, odbitej i przechodzącej.

Rozpatrzyć dwa przypadki:

a) ośrodkiem pierwszym jest próżnia,

b) ośrodkiem pierwszym jest dielektryk.

Narysować obwiednię fali częściowo stojącej pola elektrycznego i magnetycznego w obu przypadkach.

K 04

8

4

ZADANIE 4 (2)

• Fala rozchodzi się w kierunku +0z

• Przypadek A: dla z < 0 ośrodek 1: próżnia dla z > 0 ośrodek 2: dielektryk

Impedancje właściwe ośrodków: Z = Z = 120π

Z 0

1

0

Z =

= 60π

2

ε w

Współczynniki fazy w ośrodkach:

β = β

β = ε β = 2β

1

0

2

w

0

0

Z − Z

1

2

1

Współczynnik odbicia dla z = 0: Γ =

= −

Z + Z

3

2

1

Wektory zespolone pól fali padającej:

r+ r

− jβ

r

−

1 z

j 0 z

E = i E e

= i E e β

1

x

0

x

0

r +

1 r

r

r E − β

r E

H

i

E+

=

×

=

0

j

− β

1 z

0

j 0 z

i

e

= i

e

1

z

1

Z

y

y

Z

Z

1

1

0

K 04

9

ZADANIE 4 (3)

Wektory zespolone pól fali odbitej:

r E− = r

jβ z

1 r

1

j 0 z

Γ

= −

1

i E e

i E e β

x

0

x

0

3

r

r

E

jβ z

1 r E

H − = i (−Γ) 0

β

1

0

j 0 z

e

= i

e

1

y

Z

3 y Z

1

0

Wektory zespolone pól fali przechodzącej: r

r

− jβ z

2 r

E = i (1+ Γ)

−

2

j 2 0 z

E e

= i E e β

2

x

0

x

0

3

r

H = r (

E − β

r E

i 1− Γ)

j z

4

0

−

β

2

0

j 2 0 z

2

e

= i

e

y

Z

3 y Z

1

0

K 04

10

5

ZADANIE 4 (4)

Wektory rzeczywiste pól:

r +

r+

r

j(ω t−β

r

0 z )

E = Re

j t

E e ω =

1

{ 1 } Re{ i E e

= i E cos ω t − β z x

0

} x 0 (

0 )

r +

r +

r E 0

H = Re

j t

H e ω =

1

{ 1 } i

cos ω t − β z

y

(

0 )

Z 0

r

r

1 r

E− = Re

− j t

E e ω = − i E cos ω t + β z 0

(

0 )

1

{ 1 }

3 x

r

r

1 r E

H− = Re

− j t

H e ω =

0

i

cos(ω t + β z

0 )

1

{ 1 } 3 y Z 0

r

r

r

E

Re

j t

E e ω

=

= 2 i E cos ω t − 2β z 0

(

0 )

2

{ 2 } 3 x

r

r

4 r E

H

Re

j t

H e ω

=

=

0

i

cos(ω t − 2β z

0 )

2

{ 2 } 3 y Z 0

K 04

11

ZADANIE 4 (5)

• Wyrażenie opisujące rozkład amplitudy (obwiednię) pola elektrycznego:

E

2

1 x = 1+ Γ + 2 Γ cos(2β z +ψ

=

j

e ψ

Γ Γ

1

)

E 0

• Wyrażenie opisujące rozkład amplitudy (obwiednię) pola magnetycznego:

H1 y

2

= 1+ Γ − 2 Γ cos(2β z +ψ

1

)

H 0

K 04

12

6