Стоячей называется волна, возникающая при наложении (суперпозиции) двух встречных плоских волн одинаковой амплитуды и поляризации. Стоячие волны возникают, например, при наложении двух бегущих волн, одна из которых отразилась от границы раздела двух сред.

Найдем уравнение стоячей волны. Для этого предположим, что плоская бегущая волна = сДх, t) с амплитудой А и частотой со, распространяющаяся в положительном направлении оси х, складывается со встречной волной?, 2 = О той же амплитуды и частоты. Уравнения этих волн запишем в тригонометрической форме следующим образом:

где Cj и %2 смещения точек среды, вызванные волнами, распространяющимися в положительном и отрицательном направлениях оси Ох соответственно. Согласно принципу суперпозиции волн в произвольной точке среды с координатой х в момент времени 1 смещение с, составит % + или % = A cos(co/ - кх) + + A cos(co t + кх).

Используя известное из тригонометрии соотношение , получим:

В этом выражении имеются два тригонометрических члена. Первый (cos(Atjc)) - это функция только координаты и может рассматриваться как амплитуда стоячей волны, изменяющаяся от точки к точке, т.е.

Так как амплитуда колебаний - величина существенно положительная, в последнем выражении поставлен знак модуля. Второй множитель в (2.183) - (cos(k>0) зависит только от времени и описывает гармоническое колебательное движение точки с фиксированной координатой х. Таким образом, все точки среды совершают гармонические колебания с различными (зависящими от координаты) амплитудами. Как видно из формулы (2.184), амплитуда стоячей волны в зависимости от координаты х изменяется от нуля до 2А. Точки, в которых амплитуды колебаний максимальны (24), называются пучностями стоячей волны. Точки, в которых амплитуды колебаний равны нулю, называются узлами стоячей волны (рис 2.25).

Найдем координаты узлов стоячей волны. Для этого запишем очевидное равенство |24cos(&x)| = 0, отсюда cos кх = 0. Для того чтобы последнее равенство имело место, необходимо выполнение условия

, где п = 0, 1, 2,.... Заменив к его выражением через длину волны, получим Отсюда находим координаты

Рис. 2.25. Стоячие волны «мгновенные фотографии» в разные моменты времени I, отстоящие на четверть периода Т колебаний:

Светлые кружки

изображают частицы среды, колеблющиеся в поперечной стоячей волне. Разной длины стрелки - направление и величину (длина стрелки) их скорости

Соответственно можно определить и координаты пучностей стоячей волны. Для этого следует принять 12A cos (foe) I = 24. Откуда следует, что координаты точек, колеблющихся с максимальной амплитудой, должны удовлетворить условию Заменив к

на , получим выражение для координат пучностей:

Расстояния между соседними узлами или соседними пучностями (они одинаковы) называют длиной стоячей волны. Как видно из выражений (2.185) и (2.186), это расстояние равно , т.е.

Пучности и узлы сдвинуты по оси х друг относительно друга на четверть длины волны.

На рисунке 2.25, а за х = 0 выбрана точка пучности при п = 0 (2.186). За t = 0 принят момент, когда колебания всех точек среды проходят через точку равновесия, где смещения всех точек % в стоячей волне равны нулю, график волны - прямая линия. Однако в этот момент каждая точка (кроме точек, расположенных в узлах, где смещение и скорость всегда равны нулю) обладает определенной скоростью, показанной на рисунке стрелками разной длины и пунктирной огибающей. При t - Т/4 (рис. 2.25, б) смещения достигнут максимума, волна изображается непрерывной синусоидой, но скорость каждой точки среды станет равной нулю. Момент времени t= Т/ 2 (рис. 2.25, в) снова соответствует прохождению равновесия, но скорости всех точек направлены в противоположную сторону. И так далее (рис. 2.25, гид, где повторяется случай, показанный на рис. 2.25, а).

Рис. 2.26. Отражение волны от границы раздела разных сред: а - более плотной;

6 - менее плотной

Сравним бегущую и стоячую волны. В плоской бегущей волне колебания всех точек среды, имеющих разные координаты х, происходят с одинаковой амплитудой, но фазы колебаний различны и повторяются через Ах = X или At - Т. В стоячей волне все точки (от узла до узла) совершают колебания в одной фазе, но амплитуды их колебаний различны. Точки среды, разделенные узлом, совершают колебания в противофазе. Таким образом, стоячие волны энергию вдоль направления х не переносят.

В качестве модели стоячей волны можно рассмотреть поперечные колебания мягкого жгута, закрепленного с одного конца. Моделью плотной границы на этом конце жгута (рис. 2.26, а справа) является фиксация узла стоячей волны. Моделью подвижной (менее плотной) границы является тонкий невесомый шнурок, соединяющий конец жгута с закреплением (рис. 2.26, б также справа). Анализ условий отражения волны в этих двух случаях показывает, что при отражении от более плотной среды (см. рис. 2.26, а) волна «теряет» половину длины волны, т.е. при таком отражении происходит изменение фазы колебаний на л. Отражение от менее плотной среды не сопровождается изменением фазы, поэтому у границ раздела двух сред (на рис. 2.26, б в месте соединения жгута со шнурком) всегда будет пучность.

Стоячие волны возникают в результате интерференции двух монохроматических плоских волн с одинаковой частотой, распространяющихся в противоположных направлениях.

Пусть плоская монохроматическая волна отражается от поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. После отражения волновой вектор поменяет направление на противоположное и при этом вектор приобретет дополнительный сдвиг фазы (так как отражение происходит от оптически более плотной среды). Тогда для падающей и отраженной волн можно записать

Эти волны будут интерферировать, и по принципу суперпозиции для результирующей стоячей волны получим следующие уравнения:

Из формул (49.1) и (49.2) следует первое важное отличие стоячей волны от бегущей: в стоячей волне колебания векторов и сдвинуты по фазе на , т. е. в те моменты, когда напряженность электрического поля максимальна, напряженность магнитного поля равна нулю и наоборот (рис. 49.1). В бегущей волне колебания и происходят в фазе.

Как видно из выражений (49.1) и (49.2), амплитуда колебаний векторов и в стоячей волне в разных точках пространства оказывается различной. Точки, в которых амплитуда колебаний равна нулю, называются узлами стоячей волны. Точки, в которых амплитуда имеет максимальное значение, называются пучностями . Для электрического поля амплитуда равна нулю, если . Отсюда следует, что узлы находятся в точках с координатами

(49.3)

Пучности электрического поля расположены в точках, где , т. е.

(49.4)

Из этих выражений видно, что расстояние между смежными узлами (или пучностями) равно половине длины бегущей волны. Таким же образом легко убедиться, что узлы магнитного поля находятся в точках с координатами, определяемыми выражением (49.4), а пучности – выражением (49.3), т. е. в стоячей волне узлы электрического поля совпадают с пучностями магнитного поля и наоборот. При этом на отражающей поверхности находятся узел электрического поля и пучность магнитного. Если отражение происходит от оптически менее плотной среды, то сдвиг фазы на получит вектор и на отражающей поверхности будут пучность электрического поля и узел магнитного.

Из выражений (49.1) и (49.2) следует, что колебания во всех точках, расположенных между двумя соседними узлами, происходят в одной фазе. При переходе через узел фаза колебаний изменяется на . При этом фазовая поверхность не перемещается в пространстве, чем и объясняется само название стоячей волны.

Объемные плотности энергии электрического и магнитного полей и соответственно. Изменения энергии электрического и магнитного полей в стоячей волне происходят с удвоенной частотой и в противофазе. Это означает, что в стоячей волне происходит периодическое преобразование энергии электрического и магнитного полей так, что в моменты, когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю и наоборот. В этом тоже заключается существенное отличие стоячих волн от бегущих. Используя формулу (39.10), легко убедиться, что максимальные значения объемной плотности энергий электрического и магнитного полей равны. Для стоячей волны модуль вектора Пойнтинга , а его среднее за период колебаний значение равно нулю. Это означает, что стоячая волна не переносит энергию в пространстве.

Стоячие волны в видимом диапазоне длин волн впервые зарегистрировал Винер в 1890 г. Он установил перед зеркалом под небольшим углом прозрачную пластинку с нанесенным на нее фоточувствительным слоем (рис. 49.2) и после проявления обнаружил на ней чередующиеся темные и светлые полосы, центры которых соответствовали положению узлов и пучностей электрического поля. Опыт Винера явился одним из прямых доказательств электромагнитной природы света.

Упругие волны также могут образовывать стоячую волну. Наглядным примером стоячей упругой волны являются колебания струны с закрепленными краями. Их можно наблюдать на любом струнном музыкальном инструменте (гитара, арфа и др.).

Проектирование высокочастотных схем должно учитывать два важных, хотя и несколько таинственных явления: отражения и стоячие волны.

Из нашего опыта с другими областями науки мы знаем, что волны связаны с особыми типами поведения. Световые волны преломляются, когда перемещаются из одной среды (например, воздух) в другую (например, стекло). Водные волны дифрагируют, когда сталкиваются с лодками или большими скалами. Звуковые волны интерферируют, что приводит к периодическим изменениям громкости (так называемые «биения»).

Электрические волны также подвержены поведению, которое мы обычно не связываем с электрическими сигналами. Однако общее отсутствие знакомства с волновой природой электричества не удивительно, потому что во многих схемах эти эффекты незначительны или не существуют. Инженер из цифровой или низкочастотной аналоговой схемотехники может работать в течение многих лет и успешно разрабатывать много схем, не получая глубокого понимания волновых эффектов, которые становятся заметными в высокочастотных схемах.

Как обсуждалось в предыдущей статье, соединение, которое подвержено особому поведению высокочастотного сигнала называется линией передачи. Влияние линии передачи существенно только тогда, когда длина соединения составляет, по меньшей мере, одну четверть длины волны сигнала; таким образом, нам не нужно беспокоиться о свойствах волн, если мы не работаем с высокими частотами или очень длинными соединениями.

Отражение

Отражение, рефракция, дифракция, интерференция - все эти классические волновые поведения применимы к электромагнитному излучению. Но на данный момент мы по-прежнему имеем дело с электрическими сигналами, то есть сигналами, которые еще не были преобразованы антенной в электромагнитное излучение, и, следовательно, нам нужно заняться только двумя из них: отражением и интерференцией.

Аналогия с водной волной

Отражения возникают, когда волна сталкивается с неоднородностью. Представьте себе, что буря привела к тому, что большие волны воды распространяются через нормально спокойную гавань. Эти волны в конечном итоге сталкиваются с твердой каменной стеной. Мы интуитивно знаем, что эти волны отразятся от каменной стены и будут распространяться назад в гавань. Тем не менее, мы также интуитивно знаем, что водные волны, разбивающиеся о пляж, редко приводят к значительному отражению энергии, возвращающейся в океан. В чем разница?

Волны переносят энергию. Когда волны воды распространяются через открытую воду, эта энергия просто перемещается. Однако когда волна достигает неоднородности, плавное движение энергии прерывается; в случае пляжа или скальной стены распространение волн уже невозможно. Но что происходит с энергией, передаваемой волной? Она не может исчезнуть; она должна быть либо поглощена, либо отражена. Каменная стена не поглощает энергию волны, поэтому происходит отражение - энергия продолжает распространяться в волновой форме, но в противоположном направлении. Однако пляж позволяет рассеивать энергию волны более постепенным и естественным образом. Пляж поглощает энергию волны, и поэтому происходит минимальное отражение.

От воды к электронам

Электрические схемы также представляют собой неоднородности, которые влияют на распространение волн; в этом контексте критическим параметром является импеданс. Представьте себе электрическую волну, движущуюся по линии передачи; это эквивалентно водной волне в середине океана. Волна и связанная с ней энергия плавно распространяется от источника к нагрузке. В конце концов, электрическая волна достигает своего назначения: антенны, усилителя и т.д.

Из предыдущей статьи мы знаем, что максимальная передача мощности происходит, когда величина импеданса нагрузки равна величине импеданса источника. (В этом контексте «импеданс источника» также может относиться к характеристическому сопротивлению линии передачи.) При согласованных импедансах действительно нет неоднородности, так как нагрузка может поглощать всю энергию волны. Но если импедансы не совпадают, поглощается только часть энергии, а оставшаяся энергия отражается в виде электрической волны, движущейся в противоположном направлении.

На количество отраженной энергии влияет серьезность рассогласования между импедансами источника и нагрузки. Два наихудших сценария - это разомкнутая цепь и короткое замыкание, соответствующие бесконечному импедансу нагрузки и нулевому импедансу нагрузки соответственно. Эти два случая представляют полную неоднородность; никакая энергия не может быть поглощена, и, следовательно, отражается вся энергия.

Важность согласования

Если вы участвовали в радиочастотном проектировании или тестировании, вы знаете, что согласование импеданса является распространенной темой обсуждений. Теперь мы понимаем, что импедансы должны быть согласованы, чтобы предотвратить отражения. Но зачем так сильно беспокоиться об отражениях?

Первая проблема - просто эффективность. Если у нас есть усилитель мощности, подключенный к антенне, мы не хотим, чтобы половина выходной модности отражалась обратно в усилитель. Ведь цель состоит в том, чтобы генерировать электрическую энергию, которая может быть преобразована в электромагнитное излучение. В общем, мы хотим переместить мощность из источника в нагрузку, а это значит, что отражения должны быть минимальны.

Вторая проблема немного более тонкая. Непрерывный сигнал, передаваемый по линии передачи на несогласованный импеданс нагрузки, приведет к непрерывному отраженному сигналу. Эти падающие и отраженные волны проходят друг к другу, идя в противоположных направлениях. Интерференция приводит к появлению стоячей волны, то есть стационарной волновой форме, равной сумме падающей и отраженной волн. Эта стоячая волна на самом деле создает изменения пиковой амплитуды вдоль физической длины кабеля; определенные места имеют более высокую пиковую амплитуду, а в других местах пиковая амплитуда более низкая.

Стоячие волны приводят к напряжениям, которые выше, чем исходное напряжение передаваемого сигнала, и в некоторых случаях этот эффект является достаточно сильным, чтобы нанести физическое повреждение кабелям и компонентам.

Резюме

• Электрические волны подвержены отражению и интерференции.
• Волны воды отражаются, когда достигают физического препятствия, такого как каменная стена. Аналогичным образом, электрическое отражение возникает, когда сигнал переменного тока сталкивается с неоднородностью импеданса.
• Мы можем предотвратить отражение путем согласования импеданса нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи. Это позволит нагрузке поглощать энергию волны.
• Отражения являются проблемой, поскольку они уменьшают количество энергии, которое может быть передано от источника к нагрузке.
• Отражения также приводят к появлению стоячих волн; высокоамплитудные участки стоячей волны могут повредить компоненты или кабели.

Линия без потерь

Рассмотрим линию, в которой отсутствуют распределенные активные сопротивление и проводимость, т.е. R 0 = 0, и G 0 = 0. Такую линию называют идеальной или линией без потерь .

Строго говоря, линий без потерь не существует, однако их рассмотрение представляет большой интерес. В ряде случаев при высокой частоте величины R 0 и G 0 оказываются очень малыми по сравнению с реактивными погонным сопротивлением ωL 0 и проводимостью ωС 0 и ими можно пренебречь, что значительно упрощает использование ранее полученных результатов и в то же время обеспечивает достаточную точность решения практических задач, связанных с распределением напряжения и тока.

Для линии без потерь выражения для постоянной распространения и волнового сопротивления упрощаются и принимают вид:

т.е. постоянная распространения становится мнимой, а волновое сопротивление – вещественным. В соответствии с принятыми для этого случая обозначениями

Величины β и ρ являются вторичными параметрами линии без потерь. Для определения напряжения и тока в линии перепишем уравнения линии

. Если , то

В режиме короткого замыкания (U 2 = 0)

(30.3)

Исследуем характер изменения входного сопротивления при изменении расстояния х от конца линии до текущей точки.

В интервале значений βх от 0 до π/2 tgβx положителен и изменяется от 0 до ∞, поэтому Z вх.хх имеет емкостной характер (-j ) и по модулю изменяется от ∞ до 0, а Z вх.к.з. имеет индуктивный характер и изменяется от 0 до ∞ (рис. 30.1).

В интервале βх от π/2 до π tgβx изменяется от - ∞ до 0, поэтому Z вх.хх изменяется от 0 до ∞, имея индуктивный характер, а Z вх.к.з . от - ∞ до 0 и носит емкостной характер.

Таким образом, изменяя длину отрезка линии без потерь, можно создавать (имитировать) различные по величине индуктивные и емкостные сопротивления. Практически это свойство используют при высокой частоте в различных радиотехнических устройствах.

Например, отрезок короткозамкнутой на конце линии без потерь длиной в четверть длины волны имеет входное сопротивление равное бесконечности. Это позволяет применять этот отрезок при подвеске проводов в качестве изолятора (так называемый четвертьволновый изолятор).

Стоячие электромагнитные волны

Стоячие электромагнитные волны возникают в линиях без потерь при холостом ходе и коротком замыкании и чисто реактивных нагрузках. Стоячая электромагнитная волна представляет собой электромагнитную волну, полученную в результате наложения движущихся навстречу друг другу падающей и отраженной волн одинаковой интенсивности.

Стоячие волны напряжения и тока всегда сдвинуты по отношению друг к другу в пространстве и во времени.

Напряжение и ток в любой точке линии без потерь (считая х от конца линии)

. При холостом ходе (I 2 = 0)

.

(30.4)

При коротком замыкании (U 2 = 0)

(30.5)

Перейдем от комплексов к мгновенным значениям, тогда при холостом ходе

, а при коротком замыкании

.

При возникновении стоячих волн электромагнитная энергия от начала к концу линии не передается. Однако на каждом отрезке длины линии, равном четверти длины волны, запасена некоторая электромагнитная энергия. Эта энергия периодически переходит из одного вида (энергии электрического поля) в другой (энергию магнитного поля). Причем, в моменты, когда ток равен нулю, напряжение максимально и, наоборот, в результате чего средняя за период мощность равна нулю.

Если энергия расходуется в приемнике (или линии), должны существовать бегущие волны напряжения и тока, обеспечивающие процесс передачи энергии вдоль линии.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур ила проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается. Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное - внутри катушки индуктивности.

Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном частот (или длин волн l=c/n, где с - скорость электромагнитных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и регистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и g-излучения.

Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии

Передача электромагнитной энергии вдоль проводов линии осуществляется электромагнитным полем, распространяющимся в окружающем провода пространстве. Провода осуществляют роль направляющих электромагнитного поля.

Рассмотрим произвольный приемник электромагнитной энергии, который соединен с источником посредством двухпроводной линией связи.

Окружим этот приемник вместе с частью линии замкнутой поверхностью s

Если мы рассматриваем источник, заключенный внутри поверхности s, то вектор ds имеет направление, совпадающее с внешней нормалью к этой поверхности. Если же мы хотим считать положительной энергию, передаваемую внутрь данной области сквозь поверхность s, то необходимо изменить направление положительной нормали на обратное. В данном случае в по следнем выражении следует заменить ds на ds1

Основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Закон прямолинейного распространения света: в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям. В связи с законом прямолинейного распространения света появилось понятие световой луч, которое имеет геометрический смысл как линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный физический смысл имеют световые пучки конечной ширины. Световой луч можно рассматривать как ось светового пучка. Поскольку свет, как и всякое излучение, переносит энергию, то можно говорить, что световой луч указывает направление переноса энергии световым пучком.

Закон независимого распространения лучей

второй закон геометрической оптики, который утверждает, что световые лучи распространяются независимо друг от друга.То есть предполагается, что лучи не влияют друг на друга, и распространяются так, как будто других лучей, кроме рассматриваемого, не существует.

Отражение

Отраже́ние - физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. «угол падения равен углу отражения»

Сдвиг Фёдорова

Сдвиг Фёдорова - явление бокового смещения луча света при отражении. Отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом.

Механизм отражения

В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла. Световые волны, падающие на диэлектрик вызывают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях.

16. Условия необходимые для получения интерференционной картины. Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности. Радиус когерентности.

Интерференцию света можно объяснить, рассматривая интерференцию волн Необходимым условием интерференции волн является их когерентность, т. е. согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.

монохроматические волны - не ограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Так как ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентны.

Любой немонохроматический свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических цугов. Средняя продолжительность одного цуга tког называется временем когерентности. Когерентность существует только в пределах одного цуга, и время когерентности не может превышать время излучения, т. е. tког < t. Прибор обнаружит четкую интерференционную картину лишь тогда, когда время разрешения прибора значительно меньше времени когерентности накладываемых световых волн.

Если волна распространяется в однородной среде, то фаза колебаний в определен ной точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности tког. За это время волна распространяется в вакууме на расстояние lког = ctког, называемое длиной когерентности (или длиной цуга). Таким образом, длина когерентности есть расстояние, при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность. Отсюда следует, что наблюдение интерференции света возможно лишь при оптических разностях хода, меньших длины когерентности для используемого источника света.

Чем ближе волна к монохроматической, тем меньше ширина Dw спектра ее частот и, как можно показать, больше ее время когерентности tког, следовательно, и длина когерентности lког. Когерентность колебаний, которые совершаются в одной и той же точке пространства, определяемая степенью монохроматичности волн, называется временной когерентностью.

Наряду с временной когерентностью для описания когерентных свойств волн в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения, вводится понятие пространственной когерентности. Два источника, размеры и взаимное расположение которых позволяют (при необходимой степени монохроматичности света) наблюдать интерференцию, называются пространственно-когерентными. Радиусом когерентности (или длиной пространственной когерентности) называется максимальное поперечное направлению распространения волны расстояние, на котором возможно проявление интерференции. Таким образом, пространственная когерентность определяется ради усом когерентности.

Радиус когерентности

Условия интерференции

Таким образом, необходимое условие наличия четкой интерференционной картины (в случае квазимонохроматических волн с постоянными амплитудами) – разность фаз двух складываемых колебаний сохраняет свое значение за время усреднения, хотя сама фаза может меняться (хотя бы и хаотически и в больших пределах).