Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Fale elektromagnetyczne w dielektrykach"

Barbara Drozd
7 lat temu
Przeglądów:

1 Fale elektromagnetyczne w dielektrykach Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Krótka historia odkrycia fali elektromagnetycznej (1) Starożytni Grecy: znamy dwa różne zjawiska: elektryczność i magnetyzm... Hans Christian Oersted (1820): wcale nie są takie różne...

3 Krótka historia odkrycia fali elektromagnetycznej (2) Michael Faraday (1833): zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne...

4 Krótka historia odkrycia fali elektromagnetycznej (3). Clerk Maxwell (1867): i wzajemnie zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. Może będzie z tego fala... Hermann Ludwig von Helmholtz (ok. 1884?): fale rozchodzą się? Może pan to sprawdzi, panie Hertz? Heinrich Hertz (1889): Rozchodzą się!!!...

5 Rozważmy Rozważmy równania równania Maxwella Maxwella..bez..bez źródeł źródeł Przyjmujemy, że w przestrzeni nie ma ładunków ani prądów. Prawa Maxwella przyjmują wtedy postać: E ds=0 S d m E dl= dt l B ds=0 S d B dl= 0 0 dt l

6 Rozważmy Rozważmy równania równania Maxwella Maxwella oraz oraz falę falę Sprawdzimy, że nasze równania są spełnione przez falę elektromagnetyczną rozchodzącą się w kierunku x o następującej konfiguracji: = E = E sin kx t E 0 y B = B z = B 0 sin kx t

7 Zastosujemy prawo indukcji Faradaya do przedstawionego na rysunku wąskiego prostokąta znajdującego się w płaszczyźnie xy. E de h E h=h de E dl= l d m dt E dl= l d m dt = d B h dx dt =h d x h de= h d x db dt db dt E x = B t (*)

8 Podobnie zastosujemy prawo indukcji Maxwella do przedstawionego na rysunku wąskiego prostokąta znajdującego się w płaszczyźnie xz. B db h B h= h db B dl= l d d E h dx de = =h d x dt dt dt d de B dl= 0 0 dt h db= 0 0 h d x dt l B E (**) = 0 0 x t

9 Do pierwszego z otrymanych równań (*) wstawimy równania opisujące postulowaną przez nas postać fali E=E 0 sin k x t E x =k E 0 cos k x t E x = B t B=B 0 sin k x t B t = B 0 cos k x t k E 0 cos k x t = B 0 cos k x t E0 B0 = k =c Stosunek amplitudy pola elektrycznego do amplitudy pola elektrycznego jest równy prędkości fali,

10 To samo uczynimy z drugim równaniem (**) B E = 0 0 x t E=E 0 sin k x t B=B 0 sin k x t B E =k B 0 cos k x t = 0 0 E 0 cos k x t x t k B 0 cos k x t = 0 0 E 0 cos k x t E0 E = = =c c= B0 0 0 c B k Prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku nie jest stała!!!

11 Prędkość fali elektromagnetycznej... w materii 1 c=, c0= 0 0 c= c0 Prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku dielektrycznym nie jest stała, ale jest mniejsza od prędkości światła w próżni i zależy od przenikalności dielektrycznej ośrodka.

13 Widmo fal elektromagnetycznych

14 Widmo fal elektromagnetycznych

15 Polaryzacja i straty w funkcji częstotliwości

16 Odbicie i załamanie światła Przy przejściu światła przez granicę dwóch ośrodków dielektrycznych zmienia się kierunek rozchodzenia się wiązki światła. Mówimy, że światło ulega załamaniu. Część wiązki ulega odbiciu. Kierunki promieni zwyczajowo wyznaczamy względem prostej prostopadłej do granicy ośrodków.

17 Odbicie i załamanie Zjawiskami załamania i odbicia rządzą: Prawo odbicia: promień odbity leży w płaszczyźnie padania, a kąt odbicia jest równy kątowi padania: ' 1= 1

18 Odbicie i załamanie Zjawiskami załamania i odbicia rządzą: Prawo załamania: promień załamany leży w płaszczyźnie padania, a kąty związane są zależnością n2 sin 2 =n1 sin 1 n1 i n2 są bezwymiarowymi stałymi charakteryzującymi ośrodki, nazywanymi współczynnikami załamania światła. Willebrord Snell

19 Prawo załamania Prawo załamania (i wiele innych praw optyki) możemy wyjaśnić korzystając z zasady Huygensa, mówiącej, że każdy punkt, do którego dociera fala płaska może być traktowany jako źródło fali kulistej, a wynikowa fala jest złożeniem fal pochodzących z takich źródeł. Chrystiaan Huygens

20 Prawo załamania Z zasady Huygensa, wynika, że załamanie światła przy przejściu granicy między materiałami nastąpi, gdy jego prędkość będzie w tych materiałach różna. Wiemy już, że fakt taki może mieć miejsce... = = = sin n c sin 1 n2 c

21 Rozszczepienie światła = = = sin n c sin 1 n2 c Przenikalność dielektryczna, a co za tym idzie prędkość światła oraz współczynnik załamania światła zależą od częstotliwości fali. Oznacza to, że światło o różnych barwach będzie załamywane pod różnymi kątami.

22 Całkowite wewnętrzne odbicie Przy pewnym kącie padania promienia wychodzącego z materiału o większym współczynniku załamania kąt załamania jest prosty. Nie ma już możliwości wyjścia promienia poza materiał. Mówimy wtedy o całkowitym wewnętrznym odbiciu.

23 Całkowite wewnętrzne odbicie Kąt graniczny znajdziemy z zależności n1 sin gr =n2 sin 90o czyli kąt graniczny gr =arcsin n2 n1

24 Całkowite wewnętrzne odbicie Całkowite wewnętrzne odbicie wykorzystujemy na rozmaite sposoby od światłowodów poczynając, poprzez rozmaite pryzmaty, a kończąc na biżuterii.

25 Polaryzacja światła przy odbiciu Obserwując przez polaryzator światło odbite od różnych dielektrycznych powierzchni zaobserwujemy, że jest ono częściowo spolaryzowane.

26 Polaryzacja światła przy odbiciu Przy pewnym kącie padania, zwanym kątem Brewstera, polaryzacja światła odbitego jest całkowita. Doświadczalnie można sprawdzić, że gdy promień pada pod kątem Brewstera, to promienie odbity i załamany są prostopadłe. n1 sin B =n 2 sin 2 o n1 sin B =n 2 sin 90 B =n 2 cos B Ostatecznie otrzymujemy prawo Brewstera określające kąt całkowitej polaryzacji B =arctg n2 n1

27 Widmo fal elektromagnetycznch Fale radiowe f=30khz kilka GHz l=10km kilka cm

28 Widmo fal elektromagnetycznch Mikrofale f=kilka GHz kilkaset GHz l=od kilku cm do kilku mm

Przy tej częstotliwosci cząsteczki H2O wykazują wiele

29 Kuchenka mikrofalowa Mikrofalówka generuje falę elektromagnetyczną o częstotliwości około 2.5 GHz. Przy tej częstotliwosci cząsteczki H2O wykazują wiele modów oscylacji (przenikalność dielektryczna mocno zależy od częstotliwości).

30 Widmo fal elektromagnetycznch Podczerwień f= Hz l=1mm 1 m

31 Widmo fal elektromagnetycznch Ultrafiolet l=400nm 10nm

32 Widmo fal elektromagnetycznch Promienie X l=10nm 0.005nm

33 Widmo fal elektromagnetycznch Promienie l < 0.005nm

34 Właściwości fal elektromagnetycznych Mimo, że fale o różnej częstotliwości mają bardzo różne właściwości, to czasami okazują się naprawdę bardzo podobne... Polaryzacja

35 Właściwości fal elektromagnetycznych Mimo, że fale o różnej częstotliwości mają bardzo różne właściwości, to czasami okazują się naprawdę bardzo podobne... Odbicie

36 Właściwości fal elektromagnetycznych Mimo, że fale o różnej częstotliwości mają bardzo różne właściwości, to czasami okazują się naprawdę bardzo podobne... Fala stojąca, interferencja, dyfrakcja

37 Właściwości fal elektromagnetycznych Fale o większej energii mogą pobudzać materię do wysyłania fal o energii mniejszej Jeżeli energia fal jest odpowiednio duża mogą na materię (w tym ożywioną : ) ) wywierać działanie... bardzo destruktywne (promienie X albo gamma)

Podobne dokumenty

Fale elektromagnetyczne

Fale elektromagnetyczne Ryszard J. Barczyński, 2017 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego Krótka historia odkrycia fali elektromagnetycznej