WYKŁAD 6 ODDZIAŁYWANIE ŚWIATŁA Z MATERIĄ. PLAN WYKŁADU  Pola elektryczne i magnetyczne w próżni i ośrodkach materialnych - równania Maxwella  Energia.

Slides:



Advertisements
Podobne prezentacje
Wykład Prawo Coulomba W 1785 roku w oparciu o doświadczenia z ładunkami Charles Augustin Coulomb doszedł do trzech następujących wniosków dotyczących.
Advertisements

Wykład Prawo Gaussa w postaci różniczkowej E
Podsumowanie W1 Hipotezy nt. natury światła
Podsumowanie W1 Hipotezy nt. natury światła
Podsumowanie W2 Widmo fal elektromagnetycznych
Demo.
Wykład Równania Maxwella Fale elektromagnetyczne
EMO-25 warunki brzegowe związki graniczne dla składowych
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Elektrostatyka
RÓWNANIA MAXWELLA. FALA PŁASKA
Rodzaje fal (przyjęto kierunek rozchodzenia się fali +0z)
Elektrostatyka w przykładach
ELEKTROSTATYKA II.
WYKŁAD 6 ATOM WODORU W MECHANICE KWANTOWEJ (równanie Schrődingera dla atomu wodoru, separacja zmiennych, stan podstawowy 1s, stany wzbudzone 2s i 2p,
Przegląd teorii elektromagnetyzmu ciąg dalszy
Wykład III ELEKTROMAGNETYZM
Fale t t + Dt.
ELEKTROTECHNIKA z elementami ELEKTRONIKI
Wykonał: Ariel Gruszczyński
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER
DIELEKTRYKI Wykład Tadeusz Hilczer.
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER
ELEKTROSTATYKA I.
WYKŁAD 10 ATOMY JAKO ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
ATOM WODORU, JONY WODOROPODOBNE; PEŁNY OPIS
Wykład II.
Wykład VIIIa ELEKTROMAGNETYZM
Wykład IV Pole magnetyczne.
Wykład 24 Fale elektromagnetyczne 20.1 Równanie falowe
Wykład Równanie telegrafistów 20.4 Zjawisko naskórkowości.
Wykład Równania Maxwella Fale elektromagnetyczne
Elektrostatyka (I) wykład 16
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Pole magnetyczne
, Prawo Gaussa …i magnetycznego dla pola elektrycznego…
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Elektrostatyka. Ładunek elektryczny Ładunek jest skwantowany: Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest 1 kulomb.
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Pole magnetyczne.
Optoelectronics Podstawy fotoniki wykład 3 EM opis zjawisk świetlnych.
WARUNKI BRZEGOWE. FALE NA GRANICY OŚRODKÓW
Elektryczność i Magnetyzm
Elektryczność i Magnetyzm
Interferencja fal elektromagnetycznych
MECHANIKA 2 Wykład Nr 11 Praca, moc, energia.
Elementy relatywistycznej
Fizyka Elektryczność i Magnetyzm
Politechnika Rzeszowska
Treści multimedialne - kodowanie, przetwarzanie, prezentacja Odtwarzanie treści multimedialnych Andrzej Majkowski informatyka +
MECHANIKA 2 Wykład Nr 12 Zasady pracy i energii.
WYKŁAD 9 ODBICIE I ZAŁAMANIE ŚWIATŁA NA GRANICY DWÓCH OŚRODKÓW
WYKŁAD 7 ZESPOLONY WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA
WYKŁAD 6 uzupełnienie PĘD i MOMENT PĘDU FALI ELEKTROMAGNETYCZNEJ
WYKŁAD 8 FALE ELEKTROMAGNETYCZNE W OŚRODKU JEDNORODNYM I ANIZOTROPOWYM
WYKŁAD 11 ZJAWISKA DYFRAKCJI I INTERFERENCJI ŚWIATŁA; SPÓJNOŚĆ
WYKŁAD 5 OPTYKA FALOWA OSCYLACJE I FALE
Wykład Rozwinięcie potencjału znanego rozkładu ładunków na szereg momentów multipolowych w układzie sferycznym Rozwinięcia tego można dokonać stosując.
Podsumowanie W1 Hipotezy nt. natury światła
Temat: Natężenie pola elektrostatycznego
Zasada działania prądnicy
Optyka nieliniowa – podstawy
Trochę matematyki Przepływ cieczy nieściśliwej – zamrozimy ciecz w całej objętości z wyjątkiem wąskiego kanalika o stałym przekroju – kontur . Ciecz w.
Podstawowe prawa optyki
Prowadzący: dr Krzysztof Polko
Metody i efekty magnetooptyki
Optyczne metody badań materiałów
ELEKTROSTATYKA.
Podstawy teorii spinu ½
Podstawy teorii spinu ½
Zapis prezentacji:

WYKŁAD 6 ODDZIAŁYWANIE ŚWIATŁA Z MATERIĄ

PLAN WYKŁADU  Pola elektryczne i magnetyczne w próżni i ośrodkach materialnych - równania Maxwella  Energia i moc w polu elektromagnetycznym  Fale elektromagnetyczne w próżni  Monochromatyczne fale płaskie w ośrodkach materialnych; zespolony współczynnik załamania  PODSUMOWANIE

Pola elektryczne i magnetyczne w próżni i ośrodkach materialnych - równania Maxwella Klasyczna teoria elektromagnetyzmu: natężenie pola elektrycznego indukcja magnetyczna ładunek elektryczny siła Lorentza gęstość prądu elektrycznego

Równania Maxwella postać różniczkowa, układ SI

Równania Maxwella postać różniczkowa, układ SI

Równania Maxwella postać różniczkowa, układ SI

Równania Maxwella postać różniczkowa, układ SI

Równania Maxwella postać różniczkowa, układ SI gęstości ładunku i prądu, źródła pól. Co w próżni? Co w ośrodkach materialnych?

równanie ciągłości

Ładunki i prądy polaryzacyjne w ośrodkach materialnych Model Lorentza atomu, ładunek dodatni (ciężkie jądro) i ujemny (lekkie elektrony), q niekoniecznie równe +Ze, elektrony silnie i słabo związane

wektor polaryzacji, wyindukowany przez pole zewnętrzne moment dipolowy na jednostkę objętości

ładunek przesunięty przez jednostkową powierzchnię zależy od P i cosinusa kąta pomiędzy N i P

wektor polaryzacji, wyindukowany przez pole zewnętrzne moment dipolowy na jednostkę objętości ładunek przesunięty przez jednostkową powierzchnię zależy od P i cosinusa kąta pomiędzy N i P Zamiast δ musimy wstawić δcosα

wstawiamy minus bo polaryzacja „wypycha” ładunek dodatni z objętości V stosujemy twierdzenie Gaussa

wstawiamy minus bo polaryzacja „wypycha” ładunek dodatni z objętości V stosujemy twierdzenie Gaussa

wstawiamy minus bo polaryzacja „wypycha” ładunek dodatni z objętości V stosujemy twierdzenie Gaussa

w 1-szym równaniu Maxwella całkowity ładunek dzielimy na „swobodny” i „polaryzacyjny”

podstawiając za gęstość ładunku polaryzacyjnego wyrażenie z P otrzymamy:

w 1-szym równaniu Maxwella całkowity ładunek dzielimy na „swobodny” i „polaryzacyjny” podstawiając za gęstość ładunku polaryzacyjnego wyrażenie z P otrzymamy: Jeśli wprowadzimy nowy wektor:

otrzymamy nową wersję I-ego równania Maxwella z wektorem indukcji elektrycznej

By rozwiązać to równanie musimy uwzględnić zależność P od E. W najprostszym wypadku możemy przyjąć: gdziejest podatnością elektryczną ośrodka mat.

otrzymamy nową wersję I-ego równania Maxwella z wektorem indukcji elektrycznej By rozwiązać to równanie musimy uwzględnić zależność P od E. W najprostszym wypadku możemy przyjąć: gdziejest podatnością elektryczną ośrodka mat. Mamy wówczas: gdzie stała ε r to stała dielektryczna, a ε przenikalność elektryczna ośrodka materialnego

CO Z PRĄDAMI? DIELEKTRYKI

CO Z PRĄDAMI? Z równania ciągłości: DIELEKTRYKI

CO Z PRĄDAMI? Korzystając z: Z równania ciągłości: DIELEKTRYKI

CO Z PRĄDAMI? Korzystając z: Z równania ciągłości: Otrzymamy: DIELEKTRYKI

CO Z PRĄDAMI? Korzystając z: Z równania ciągłości: Otrzymamy: DIELEKTRYKI

CO Z PRĄDAMI? MATERIAŁY MAGNETYCZNE

CO Z PRĄDAMI? MATERIAŁY MAGNETYCZNE namagnesowanie a momenty magnetyczne atomów

CO Z PRĄDAMI? Można pokazać, że: MATERIAŁY MAGNETYCZNE namagnesowanie a momenty magnetyczne atomów Feynman, tom II, cz. 2, podrozdz. 36.1

CO Z PRĄDAMI? Można pokazać, że: Całkowity prąd: MATERIAŁY MAGNETYCZNE namagnesowanie a momenty magnetyczne atomów Feynman, tom II, cz. 2, podrozdz. 36.1

Uwzględniamy wszystkie prądy

i otrzymujemy:

Uwzględniamy wszystkie prądy i otrzymujemy:

Uwzględniamy wszystkie prądy i otrzymujemy:

Ostatecznie:

Wprowadzamy nowe pole (natężenie pola magnetycznego):

Ostatecznie: Wprowadzamy nowe pole (natężenie pola magnetycznego): i otrzymujemy 4-te równanie Maxwella: [H] = A/m, inne definicje H: Feynman, t.II, cz.2, podrozdz. 36.2

Potrzebny jest związek pomiędzy M i H, przyjmujemy: gdzie: to podatność magnetyczna ośrodka

Potrzebny jest związek pomiędzy M i H, przyjmujemy: gdzie: to podatność magnetyczna ośrodka Wykorzystując: i wprowadzając nową stałą: nazywaną przenikalnością magnetyczną próżni,

Potrzebny jest związek pomiędzy M i H, przyjmujemy: gdzie: to podatność magnetyczna ośrodka Wykorzystując: i wprowadzając nową stałą: nazywaną przenikalnością magnetyczną próżni, mamy:

Potrzebny jest związek pomiędzy M i H, przyjmujemy: gdzie: to podatność magnetyczna ośrodka Wykorzystując: i wprowadzając nową stałą: nazywaną przenikalnością magnetyczną próżni, mamy: gdzie: to przenikalność magnetyczna ośrodka a to względna przenikalność mag. ośrodka

DYGRESJA; wyznaczanie stałej c

Mierząc te siły możemy wyznaczyć wartość c:

DYGRESJA; wyznaczanie stałej c obecnie przyjmujemy

DYGRESJA; wyznaczanie stałej c obecnie przyjmujemy z eksperymentu

DYGRESJA; wyznaczanie stałej c obecnie przyjmujemy z eksperymentu Pomiar μ 0 i ε 0 : 1856 W. Weber i R. Kohlrausch, Lipsk

RÓWNANIA MAXWELLA w ośrodkach materialnych

plus równania materiałowe: przenikalności elektryczne i magnetyczne próżni, skalary ośrodka materialnego – mogą być tensorami

ENERGIA I MOC W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM

Moc przekazana cząstce: ENERGIA I MOC W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM

Moc przekazana cząstce: ENERGIA I MOC W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM Moc przekazana układowi cząstek:

Moc przekazana cząstce: ENERGIA I MOC W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM Moc przekazana układowi cząstek: Moc przekazana ciągłemu rozkładowi ładunku:

Moc przekazana cząstce: W polu elektrycznym i magnetycznym: ENERGIA I MOC W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM Moc przekazana układowi cząstek: Moc przekazana ciągłemu rozkładowi ładunku:

Ponieważ:i

i oraz: i

Mamy: Ponieważ:i oraz: i

Z 2-iego i 4-tego równania Maxwella, po przemnożeniu:

Wykorzystamy następujące związki:

Otrzymujemy:

Uwzględniając twierdzenie Gaussa:

Otrzymujemy: Uwzględniając twierdzenie Gaussa: otrzymamy:

BILANS ENERGETYCZNY POLA E-M

moc chwilowa tracona przez pole e-m na rzecz układu ładunków BILANS ENERGETYCZNY POLA E-M

moc chwilowa tracona przez pole e-m na rzecz układu ładunków wektor Poyntinga, gęstość mocy wypływającej z układu BILANS ENERGETYCZNY POLA E-M

moc chwilowa tracona przez pole e-m na rzecz układu ładunków wektor Poyntinga, gęstość mocy wypływającej z układu gęstość energii pola e-m BILANS ENERGETYCZNY POLA E-M

Dla próżni: BILANS ENERGETYCZNY POLA E-M

A dla ośrodka materialnego: BILANS ENERGETYCZNY POLA E-M Energia pola w próżni plus energia na polaryzację i namagnesowanie

Fale elektromagnetyczne w próżni

w próżni nie ma ładunków i prądów

Fale elektromagnetyczne w próżni w próżni nie ma ładunków i prądów weźmiemy rotację z obu stron

Fale elektromagnetyczne w próżni w próżni nie ma ładunków i prądów weźmiemy rotację z obu stron i wykorzystamy równanie 4-te

Fale elektromagnetyczne w próżni

wykorzystujemy następującą tożsamość:

Fale elektromagnetyczne w próżni wykorzystujemy następującą tożsamość: i otrzymujemy:

Fale elektromagnetyczne w próżni

ponieważ:

Fale elektromagnetyczne w próżni ponieważ: więc:

Podobnie dla pola B

r-nie 4, bierzemy rotację z obu stron

Podobnie dla pola B r-nie 4, bierzemy rotację z obu stron i wykorzystujemy równanie 2-gie

Podobnie dla pola B r-nie 4, bierzemy rotację z obu stron i wykorzystujemy równanie 2-te otrzymując:

Monochromatyczne fale płaskie w ośrodkach materialnych

Ośrodki jednorodne i izotropowe z prądami i ładunkami

Monochromatyczne fale płaskie w ośrodkach materialnych Ośrodki jednorodne i izotropowe z prądami i ładunkami

Monochromatyczne fale płaskie w ośrodkach materialnych Ośrodki jednorodne i izotropowe z prądami i ładunkami równania materiałowe

Monochromatyczne fale płaskie w ośrodkach materialnych Ośrodki jednorodne i izotropowe z prądami i ładunkami PRAWO OHMA, przewodnictwo właściwe równania materiałowe

Szukamy rozwiązań w tej postaci:

z częścią czasową i przestrzenną

Z równania ciągłości: Szukamy rozwiązań w tej postaci: z częścią czasową i przestrzenną

Z równania ciągłości: Szukamy rozwiązań w tej postaci: z częścią czasową i przestrzenną po scałkowaniu:

Z 1-ego równania:

po wstawieniu:

i: Z 1-ego równania: po wstawieniu:

i: Z 1-ego równania: po wstawieniu: otrzymamy równanie:

i: Z 1-ego równania: po wstawieniu: otrzymamy równanie: albo podobne, tylko na część przestrzenną:

2-gie i 3-cie równanie dadzą: po zróżniczkowaniu po t

2-gie i 3-cie równanie dadzą: po zróżniczkowaniu po t a 4-te: po uwzględnieniu prawa Ohma i zróżniczkowaniu po t

Równania 1-sze i 3-cie (z div), dla ośrodków jednorodnych:

Szukamy rozwiązań w postaci fal płaskich:

Równania 1-sze i 3-cie (z div), dla ośrodków jednorodnych: Szukamy rozwiązań w postaci fal płaskich: ponieważ:

Zatem równania: sprowadzą się do: E, H prostopadłe do k

Zatem równania: sprowadzą się do: Podobnie dla rotacji:a więc: E, H prostopadłe do k

oraz:

Podstawiając 2-gie do 4-tego:

oraz: Podstawiając 2-gie do 4-tego: Korzystając z tożsamości:

oraz: Podstawiając 2-gie do 4-tego: Korzystając z tożsamości: oraz wykorzystując: μ = μ r μ 0 ; ε = ε r ε 0 ; ε 0 μ 0 = c 2

otrzymamy: Ponieważ: Mamy: gdzie

Równanie to będzie spełnione gdy: gdzie to zespolony współczynnik załamania Niechi mamy wówczas:

Stąd mamy dalej:

wobec tego:

Stąd mamy dalej: wobec tego:

Stąd mamy dalej: wobec tego:

Rozwiązanie w ośrodku materialnym:

i

i tłumiona amplituda: Rozwiązanie w ośrodku materialnym:

i tłumiona amplituda: Rozwiązanie w ośrodku materialnym: zmodyfikowana część przestrzenna:

PODSUMOWANIE  Pełny opis pól elektrycznych i magnetycznych w ośrodkach materialnych, w tym fal elektromagnetycznych rozchodzących się w takich ośrodkach, wymaga wprowadzenia czterech pól wektorowych: Pole elektryczne E i magnetyczne H wywołują w ośrodku materialnym polaryzację P (podatność elektryczna ) i namagnesowanie M (podatność magnetyczna ) tworząc pola D i B.

PODSUMOWANIE  Dzięki zapisowi zespolonemu różniczkowe równania Maxwella dla fal harmonicznych opisanych częstością ω i zespolonym wektorem falowym stają się równaniami algebraicznymi. Z równań tych wynika, że: gdzie:

PODSUMOWANIE  Rozwiązanie w postaci fali płaskiej harmonicznej ma w ośrodku materialnym tłumioną amplitudę (urojona część współczynnika załamania) i zmodyfikowaną część przestrzenną (rzeczywista część współczynnika załamania):