Лекция -1. - Физический факультет СПбГУ

А.С.Чирцов
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
Стр.1
Лекция -1
Плоские монохроматические волны
С точки зрения математики уравнения Максвелла для электромагнитного поля в вакууме представляют собой однородную систему линейных дифференциальных уравнений в частных производных. Плоские монохроматические электромагнитные волны
описываются функциями, для которых эта система превращается в алгебраическую и поэтому становится удобной для анализа. Реально существующее электромагнитное излучение может
быть представлено как совокупность плоских монохроматических волн.
1.1. Система уравнений Максвелла.
(1.1)
(1.2)
 D, d S   4 q, B, d S   0

2
2

 E, d l    1 d B, d S 

c dt 
1

4
1d
D, d S 
I
  H, d l  
c
c dt 
1




 j   E, D   E ,B   H





   ex
;ey
; ez    e
y
z
r
 x

, D   4   ,

1 B
(1.3) 
,
 , E  
c t

  grad
(1.4)
,X   divX;
, X  rotX
, B  0
, H 
4
1 D
j
c
c t
Система уравнений
Максвелла в интегральной форме для
электромагнитного поля в веществе.
Оператор
пространственного
дифференцирования.
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме.
Основные операции
векторного анализа, записанные при
помощи оператора
пространственного дифференцирования.
А.С.Чирцов
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
Стр.2
Пример 1.1. Электромагнитное поле линейно поляризованной стоячей волны
Показать, что в вакууме может существовать электромагнитное поле, электрическая составляющая которого имеет вид (1.5).
Рассчитать соответствующее ему магнитное поле.
Решение:
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
 
E  E 0 e z cos x  sin  t 
c 
, E 

 
E 0 cos x  sin  t   0
z
c 
Электрическая составляющая поля линейно
поляризованной плоской
стоячей волны.
Проверка на соответствие поля (1.5) первому
уравнению Максвелла.
Условие соответствия
поля (1.5) закону электромагнитной индукции
Фарадея.
1 B
 , E  ... 
c t

 
  E 0 e y sin  x  sin  t 
c
c 
 
B   E 0 e y sin  x   dt  sin  t  
c 
Магнитная составляющая поля стоячей волны.



 E 0 e y sin  x  cos t 
c 
1.2. Уравнение Д'Аламбера для пустого пространства
(1.9)
(1.10)
(1.11)
, E  0
,


1 B
,
 , E  
c t

2
 B  1  E
 , t   c t 2 


, E   2 E  
, B  0
1 E
, B  c t
, , E   c1
2
2 E

t 2
1 2 E
1 2 E
2



E


c2 t 2
c2 t 2

1 2 



E  0
c2  t 2 

Уравнения Максвелла для пустого
пространства.
Вывод однородного уравнения ‘
Д’Аламбера для
электромагнитных волн в пустом пространстве.
Уравнение
Д'Аламбера для
электрической
компоненты
электромагнитного поля.
А.С.Чирцов
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
Стр.3
Запись уравнения
волны при помощи
оператора
Д'Аламбера.

1  
  2
 Er, t   0,
c  t2 

2
(1.12)

1 2 
  2
 Br, t   0
c  t2 

E  E( z, t )
 2E
z2
E  e  f ( z  ct )
(1.13)

1  2E
0
c 2 t 2
Однородное уравнение
Д’Аламбера в одномерном случае и его решение.
Рис. 1.1.
Одно из возможных решений однородного уравнения Д’Аламбера для
пустого пространства импульс электромагнитного поля, распространяющийся вдоль оси Z со
скоростью света.
Рис.1.
1
Пример 1.2. Неоднородное уравнение Д'Аламбера для скалярного и векторного потенциалов
Получить аналогичные (1.12) уравнения для скалярного и векторного потенциалов электромагнитного поля в пустом пространстве, а так же - в случае заданных распределений плотностей
зарядов и токов.
Решение:
, B  0 
A : B  , A
1 B 
1 A 
 , E 

c t 
c t 
1 A
 : E 
 
c t
4
1 E
j  , B 

c
c t
1 E
 , , A  
 ... 
c t
1   
1 2 

  , A  
    2 2  A
c t  
c t 

0  , E 
(1.14)
Определение
потенциала.
(1.15)
Определение
скалярного
потенциала (использована
калибровка Лоренца).
(1.16)
векторного
Преобразование уравнения
для ротора магнитного
поля.
А.С.Чирцов
Стр.4
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
, A    1 
(1.17)
c t

1 2 
4
(1.18)


A(r, t ) 
j(r, t )

2
2 
c
c t 

1 A 

4  , E   , 
  ... 
c t 

(1.19)

1 2 
   2 2  (r, t )
c t 


1  2  (r, t ) 
4
  
  2 2 
c
c t  A(r, t ) 

Калибровка Лоренца для
векторного потенциала.
Неоднородное уравнение
Д'Аламбера для векторного потенциала.
Неоднородное уравнение
Д'Аламбера для скалярного
потенциала.
 c (r, t )  (1.20)


 j(r, t ) 
Запись уравнений (15.23) и
(15.24) в виде одного
четырехмерного уравнения.

  0
1  2   (r, t ) 
  0 (1.21)






c 2 t 2   A(r, t ) 
j  0

Система
однородных
уравнений Д'Аламбера для
скалярного и векторного
потенциалов в пустом
пространстве.
1.3. Плоские монохроматические волны
Определение плоской моно-
(1.22)
~
E r, t  E 0 e p cos kr   t  
хроматической
волны
(вещественная
форма
записи).
(1.23)
~
плоской
E r, t  Re E 0 e p exp i kr   t   Определение
хроматической
моноволны
(комплексная форма записи).
 E 0  e p  exp i kr  t 
~
E0  E0  e i ;   kr   t
(1.24)
(1.25)
Обозначения,
будут часто использовать-
2
2
T
;

k

E  E 0 exp i k x x  k y y  k z z   t
которые
ся.

Еще один вид записи
плоской монохроматической волны.
А.С.Чирцов
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
Стр.5
(1.26)

  i
t

 ik 
 r

e

(1.27)
(1.28)
,


r
 
x , y ,z

i
 K, E  0 ,



 K, E  B ,
c

 e k  i k
Сокращенные
уравнения
Максвелла для плоских монохроматических волн

 K, B  0

 K, B   c E
Упрощенная
система
уравнений
Максвелла,
справедливая только для
плоских монохрматических вол.
Упрощенное
уравнение
 2 2 
 k  2   E 0  exp i(kr  t )  0 Д'Аламбера для случая плосc 
ких монохроматических волн

в вакууме.
Дисперсионное соотношение для
плоских
монохроматических
волн в вакууме.
(1.29)
k /c
(1.30)
  kr  t  const 
(1.31)
v 
Условие постоянство фазы на
d
 0 волновой поверхности.
dt
d

rk   c  f (, E )
dt
k
Фазовая
скорость
электромагнитных волн в вакууме
Поверхности
постоянной
фазы плоской монохроматической волны.
Рис.
1.2.
Пример 1.3. Неоднородные плоские монохроматические
волны в вакууме
Показать, что уравнения Максвелла допускают существование в вакууме неоднородных волн, описываемых выражением (1.32). Найти фазовую скорость таких волн.
Решение:


E  E0  e p  exp  k // r  exp i(k / r   t )
(1.32)
Неоднородная волна.
А.С.Чирцов
Стр.6
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
k  k /  ik //

(1.33)
E0  e p  exp i(kr   t )




/

 k ,e p  0
k, E  0   //

 k ,e p  0
 / 2
2
// 2
2
(k )  (k )  2
k , k   2  
c
c
k / , k //   0

  k / r   t  const 

c
v  / 
2
k
1  k // c 


(1.34)
(1.35)
(1.36)
Определение комплексного волнового вектора и
запись с его помощью
выражения для неоднородной волны.
Условие поперечности
для неоднородной волны.
Дисперсионное соотношение для неоднородных
волн в вакууме.
Фазовая
скорость
неоднородной волны.
1.4. Перенос энергии плоской монохроматической волной
Определение векc
[Re E, Re B] T
(1.37) S 
тора Пойтинга в
4
олптике..


E  E /  iE / / e p exp i( kr  t ) 
(1.38)
(1.39)


k
B   E /  iE / /  [e p , ]  exp i( kr  t ) 
k
c
2 k
S
E
8
k
2
I  E  S
Вектор
Пойтинга
для плоской монохроматической волны.
Интенсивность
излучения.
А.С.Чирцов
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
Стр.7
1.5. Релятивистские свойства
волн
плоских монохроматических
  (r, t )    0 

     exp i(kr   t )
A
(
r
,
t
)

  A0 
(1.40)
  ct    c  
   inv
  kr   t    , 

 r   k 
(1.41)
   c  1 W c 
  

k  
 k   p 
  /  ( c)  (v c)k x
 

2
c


1  v c 


k /  k x  v c    c 
 x
2
1  v c 

 /
k y  k y
k /  k
z
 z
Пример 1.5.
(1.42)
(1.43)
Векторный
и
скалярный потенциал
плоской
монохроматической волны.
Фаза волны как
скалярное произведение
двух
четырехвекторов.
Четырехкомпонентный волновой
вектор и его связь
с
четырехвектором
энергииимпульса.
Преобразования
Лоренца
для
четырехкомпонентного волнового вектора
Оптический эффект Доплера.
Получить выражение для величины частотного сдвига в
продольном и поперечном оптических эффектах доплера в
случае движения источника света с заданной скоростью
v<<c.
Решение:
kx 
k x/ 

c

c
cos 
cos  /
(1.44)
Связь
х-компоненты
волнового вектора с
частотой и направлением распространения
волны.
А.С.Чирцов
Стр.8
 
/
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
 c cos
1 v
(1.45)
1  v c 
2

1  v c  
,
k || v      /     1 
 (1.46)


1

v
c


v
v  c      
c


1
/

,
kv          1 

2 
1  v c   (1.47)

Частота
с
точки
зрения наблюдателя,
движущегося
со
скоростью v относительно источника.
Продольный
Доплера.
эффект
Поперечный
Доплера
эффект
v  c     v c   
2
Задачи для самостоятельного решения
1.1. Получите однородное уравнение Д'Аламбера для магнитной составляющей
поля плоской монохроматической волны в вакууме.
1.2. Получите аналог уравнения (1.12) для случая распространения электромагнитных полн в бесконечном изотропном однородном диэлектрике, диэлектрическая и магнитная проницаемости которого являются заданными
константами.
Указание: используя материальные уравнения, исключите из системы
уравнений Максвелла для вещества векторы D и H.
1.3.
Покадите, что в случае распространения скалярных волн (например, волн
плотности газа) в качестве решения уравнения Д'Аламбера могут выступать сферические волны, описываемые соотношением: p(r,t)=(P0/r)exp(krwt), где r=(x2+y2+z2)1/ 2.
1.4. Найдите фазовую скорость распространения плоских монохроматических
волн в веществе с заданными постоянными диэлектрической и магнитной
проницаемостями.
Ответ: vФ=c/()1/2 .
1.5. В пустом пространстве уравнения Максвелла для электрического и магнитного полей оказываются абсолютно симметричными. Это означает, что
для указанной ситуации векторный и скалярный потенциалы могут быть
определены так, чтобы электрическое поле вычислялось как ротор векторного потенциала, а магнитное - как градиент скалярного. Попытяйтсь построить такую "зеркальную электродинамику" и в е рамках получите
уравнения Д'Аламбера для потенциалов.
1.6. При рассмотрении неоднородных волн в вакууме (Пример 1.3) было
показано, что действительная и мнимая части комплексного волнового
вектора взаимно ортогональны и, согласно условию поперечности, ортогональны вектору электрического поля волны. При этом условие поперечности для магнитной составляющей не обсуждалось. На первый взгляд создается впечатление, что магнитное поле рассмотренной неоднородной
волны должно быть нулевым, поскольку в пространстве невозможно ука-
А.С.Чирцов
Стр.9
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны
зать направление для вектора В, ортогонального всем трем векторам (E, k
', k ''). Используя уравнения Максвелла, найдите магнитное поле неоднородной волны, которое оказывается отличным от нуля.
1.7. Выполнить все промежуточные выкладки и обосновать приведенные в
(1.38) выражения для магнитного поля и вектора Пойтинга плоской монохроматической волны.
1.8. Рассчитать вектор Пойтинга для случая неоднородной волны (1.32).
1.9. Вывести выражения для сдвига частот в классическом эффекте Доплера в
случаях движения а) источника волн, б) приемника, в) источника и приемника одновременно.
1.10.Оценить (количественно) изменение углового положения звезды, вызванное орбитальным движением Земли. Считать, что с точки зрения неподвижного наблюдателя звезда находится точно на перпендикуляре к плоскости орбиты Земли.
Указание:
Ответ:
А.С.Чирцов
Стр.10
Физический факультет СПбГУ
Электромагнитные взаимодействия
Волновая оптика
Лекция 1. Плоские монохроматические волны