Сферические и плоские волны. Поляризация электромагнитной волны. Скорость распространения. Вектор Пойнтинга

Скорость распространения электромагнитных волн зависит исключительно от диэлектрической и магнитной проницаемостей среды (имеется в виду распространение без потерь энергии). Если изолирующей средой служит вакуум или воздухто электромагнитные волны имеют скорость света C=3*10⁸.

Скорость перемещения фазы волны относительно направления передачи электромагнитной энергии называется фазовой скоростью.

Фронтом волны называется геометрическое место точек с оди­наковой фазой электромагнитной волны.

Сферические волны

Если поместить в изотропную среду точечный излучатель и мысленно описать вокруг него сферу произвольного радиуса, то ко всем точкам сферы волна будет приходить с одинаковым запаздыванием (фазовая скорость во всех направлениях одинако­вая). Иными словами, поверхность сферы будет геометрическим местом точек с равной фазой. Поэтому полученная волна с фронтом в виде сферы называется сферической (рисунок А). Для сферической волны характерно, что напряженность ее электрического (магнитного) поля обратно пропорциональна рас­стоянию от излучателя.

Волны ТЕМ

Электрическое поле направлено по оси z, а магнитное по оси у, т. е. векторы Е_г и Н_у всюду взаимно перпендикулярны. Вместе с тем, плоскость zOy перпендикулярна к направлению рас­пространения волны 0x. Такой тип волны, в которой колебания электрического и магнитного полей совершаются поперек направле­ния распространения, называется поперечной электромагнитной волной и обозначается ТЕМ.

В ТЕМ фазовая скорость не отличается от скорости всей волны, так как эта волна поперечная и фронт её перпендикулярен к направлению распространения энергии.

Плоские волны

На больших расстояниях от излучателя активная площадь приемной антенны составляет весьма незначительную часть сфе­рического фронта волны. В таких условиях фронт можно считать плоским, а лучи, поскольку они всегда перпендикулярны фронту параллельными! В природе плоские волны не существуют, но при решении мно­гих вопросов целесообразно и допустимо считать электромагнитные волны плоскими.(рисунок Б)

Параллельность лучей означает что энергия электромагнитных волн в процессе распространения не рассеивается.

Поляризация волны

Поляризация волны определяется расположением вектора элек­трического поля Е относительно направления распространения вол­ны и так называемой плоскости отсчета. Различают линейно (плоско) и эллиптически-поляризованные волны, существуют также волны с круговой поляризацией, но они являются частным случаем эллиптически поляризованных волн.

Линейно поляризованные волны

При линейной (плоской) поляризации вектор электрического (как и магнитного) поля сохраняет неизменное направление в про­цессе распространения волны. Плоскость, проходящая через век­тор Е и ось X, вдоль которой распространяется электромагнитная волна, называется плоскостью поляризаций. При линейной поляризации положение этой плоскости сохраняется неизменным в про­странстве. Существует 2 основных вида поляризации: вертикальная и горизонтальная.

В первой волне плоскость поляризации распо­ложена вертикально(а), а во второй — вектор электрического поля Е расположен горизонтальной(б).

Эллиптически-поляризованная волна

Если две плоско-поляризованные волны имеют равную часто­ту, различную интенсивность, постоянный сдвиг по фазе и взаимно перпендикулярные плоскости поляризации, то в результате получается эллиптически-поляризованная волна. В ней векторы электри­ческого и магнитного полей сохраняют взаимную перпендикуляр­ность, но каждый из векторов в процессе распространения волны описывает в пространстве эллиптическую спираль.

В данном случае получился так называемый правополяризованный луч, так как при распространении волны вектор результирую­щего поля вращался по часовой стрелке. Если же вращение про­исходит против часовой стрелки, то луч называется левополяризованным.

Вектор Пойнтинга

Вектором Пойнтинга П называется вектор, указывающий на­правление распространения электромагнитной волны и равный по величине плотности потока мощности этой волны.

Направление вектора Пойнтинга П определяется по такому правилу: если вращать правый винт по кратчайшему пути от век­тора электрического поля Е к вектору магнитного поля Н, то поступательное движение винта укажет направление электромагнит­ной волны.

Если один из векторов Е или Н изменяет свое направление на обратное, то и вектор Пойнтинга Я получает обратное направление если же оба вектора Е и Н получают противоположное направление, то это не изменяет направления вектора Пойнтинга П Заметим, что на такого рода рисунках точка означает направлений вектора П к читателю, а крестик — от читателя, причем в обоих случаях этот вектор пер­пендикулярен плоскости чертежа.

Вектор Пойнтинга определяется по формулам:

П=EH=

П=