Глава 3. Плоские электромагнитные волны

В ОДНОРОДНЫХИ НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ

Распространение электромагнитных волн в идеальном

Диэлектрике

 

Одним из важнейших результатов, полученных Максвеллом, явилось доказательство волновой природы электромагнитного поля. Изменение во времени электрического поля приводит к возникновению магнитного поля, неоднородного в пространстве, и наоборот. Физическая картина здесь напоминает процесс обмена энергией между электрическим и магнитным полями в обычном колебательном контуре. Поэтому считают, что электромагнитный процесс в самом общем случае представляет собой также некоторые колебания. Принципиальная разница заключается в том, что колебания электромагнитного поля должны рассматриваться во всех точках пространства одновременно. Колебательное движение непрерывной среды принято называть волновым процессом. Слова «волна», «волновой процесс», употребляемые в технике, получили широкое распространение, вероятно, ввиду наглядности их прообраза – всем знакомых волн на поверхности воды.

Под распространением волны понимается постоянное вовлечение среды в физический процесс, приводящий к передаче энергии в пространстве. Физическая природа волновых явлений разнообразна. Так, известны электромагнитные волны, акустические или звуковые волны и т.д. Для понимания структуры элект­ромагнитных волн сравним звуковые волны с волнами на поверхности моря (рис. 3.1). Пусть эти волны распространяются в направлении стрелок, указанных на рисунках. Звуковые волны, представляющие собой перемещение в пространстве областей сгущения и разрежения газа, характерны тем, что в них каждая отдельная частица газа колеблется в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Такие волны носят название продольных волн (рис. 3.1,а).

Совсем другой природой обладают волны на поверхности моря. Здесь колеблющиеся частицы перемещаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения (рис. 3.1,б).

Так перемещаются в пространстве поперечные волны. Сходную структуру имеют и электромагнитные волны, которые будут рассмотрены нами в дальнейшем.

 

 

 

Рисунок 3.1. – Примеры волновых процессов:a – звуковые волны;

б – волны на поверхности моря

 

Рассмотрим распространение электромагнитных волн в идеальном диэлектрике, т.е. в такой среде, где отсутствуют потери энергии.

Составляющие векторов и электромагнитного поля неразделимы. Как следует из уравнений Максвелла, изменение во времени одной из них порождает в данной и ближайших точках пространства другую составляющую, поэтому они неизбежно образуют электромагнитную волну.

 

 

Рисунок 3.2 – Вид ЭМВ, распространяющейся в среде без потерь вдоль оси Оz в фиксированный моментвремени t

Из рисунка 3.2 видно, что составляющие E_x и H_y лежат в плоскостях, перпендикулярных оси Оz.

Вектор электрического поля Ē плоской волны ориентирован по оси 0x, т. е. электрическое поле имеет одну составляющую Ех, а вектор Н̅ — по оси 0y (составляющая Hy). Таким образом, векторы Ē и H̅ лежат в плоскости x0y, т.е. они перпендикулярны направлению распространения волны. Как видно из рисунка 3.2, гармонические поля Ē и H̅ колеблются в фазе, т. е. одновременно приобретают наибольшее и наименьшее значения. Другими словами, гармонические поля E̅ и Н̅ плоской волны в среде без потерь взаимно перпендикулярны (ортогональны) и одновременно перпендикулярны направлению своего распространения. Рассматриваемая волна является поперечной (TEM (TranvesalElectroMagnetical) или Т-волной), так как вдоль оси Oz продольные составляющие ЭМП отсутствуют.