В помощь изучающему электронику. Распространение радиоволн История исследования длинных и коротких волн

Специальность ВАК РФ01.04.03
Количество страниц 155

Часть I. МЕДЛЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ МАГНИТО-ПЛАЗМЕННЫЕ ВОЛНЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Глава I. Теоретические основы существования поверхностных электромагнитных волн

1.1. Структура электромагнитного поля вблизи поверхности намагнитченного полупроводника

1.2. Теория медленной поверхностной волны

Глава II. Экспериментальный метод

2.1. Требования к экспериментальному методу

2.2. Общие принципы методики

2.3. Экспериментальная установка

2.4. О технике измерений

2.5. Параметры образцов

Глава III. Режим бегущей волны

3.1. Идея эксперимента

3.2. Исследование формы волнового фронта

3.3. Интерференция медленных волн

3.4. Основные свойства волны

3.5. Отражение волны от ребра волноведущей плоскости

3.6. Эффективность возбуждения поверхностной волны

3.7. Связь волны с поверхностью

Глава IV. Волноводное распространение ПМВ

4.1. Решающий эксперимент

4.2. Формирование волноводной моды

4.3. Область существования волны

4.4. Затухание медленных поверхностных волн

4.5. Влияние температуры на распространение волны

Глава V. Режим стоячей волны

5.1. Схема движения волны

5.2. Плоский резонатор Фабри-Перо

5.3. Дисперсия поверхностной волны

5.4. Структура поля волны

5.5. Поляризация поверхностной волны

5.6. Геликоновые пучки

Глава VI. Приборы на основе медленных ПМВ

Часть II. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ НА СОЛЁНОЙ ВОДЕ

Глава I. Аналитический обзор

1.1. История исследований

1.2. Анализ отрицательных результатов исследований

1.3. Критика концепции Л.И. Манделынтамма

1.4. Современный взгляд на ПЭВ Ценнека 1.5 Свойства волны Ценнека

Глава II. Экспериментальный поиск волны

2.1. Экспериментальный метод

2.2. Наблюдение волны Ценнека-Зоммерфельда

2.3. Стоячая ПЭВ на плоской поверхности воды

2.4. Опыты с бегущими волнами

2.5. Радиальная расходимость поверхностной волны

2.6. Вертикальная структура поля

2.7. Излучатель ПЭВ Ценнека

Глава III. Применения ПЭВ Ценнека

3.1. Лабораторные опыты по локации

3.2. О возбуждении ПЭВ на океанской поверхности

3.3. Натурный эксперимент Хансена

3.4. О методике натурного эксперимента

3.5. Морская радиосвязь

3.6. Радиолокатор ПЭВ

Выводы к части II. Почему волна Ценнека не наблюдалась в естественных условиях?

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые типы поверхностных электромагнитных волн в проводящих средах»

В 1873 г. Джеймс Клерк Максвелл сформулировал уравнения, носящие его имя, и предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света . В классических экспериментах Генриха Герца наблюдались электромагнитные волны в свободном пространстве. Результаты этих опытов быстро завоевали мировую известность и признание. Не так просто, поистине драматически, складывалась история исследований поверхностных электромагнитных волн, возникающих на границе раздела двух сред с разными диэлектрическими свойствами .

Понятие "поверхностные электромагнитные волны" (ПЭВ) ввёл в науку Арнольд Зоммерфельд , когда в 1899 г. рассмотрел задачу об осевом токе в длинном прямом проводе и получил решения уравнений Максвелла, амплитуда которых быстро спадает при удалении от поверхности провода. Эти решения были им интерпретированы как ПЭВ, возможно, по аналогии с поверхностными акустическими волнами Рэлея. На опыте поверхностные электромагнитные волны первым наблюдал, по-видимому, Р.Вуд в 1902 году при рассеянии электронов в тонкой металлической фольге . Явление в то время не было понято и оставалось известным как "аномалии Вуда" вплоть до 60-х годов. Вслед за А.Зоммерфельдом немецкие теоретики Кон и Уллер установили, что плоская поверхность раздела диэлектрика и хорошего проводника оказывает направляющее воздействие на распространение объёмной волны и что ПЭВ возможна на плоской границе раздела сред с малыми потерями.

В 1901 году произошло историческое событие: Гульельмо Маркони осуществил радиопередачу через Атлантический океан на частоте 30 кГц-. Это удивительное открытие навело на размышления относительно механизма распространения радиоволн. О существовании ионосферы Земли в то время еще и не подозревали, поэтому возможность дальней радиосвязи за счет отражения радиолуча от ионосферы не обсуждалась. Вместо этого было высказано предположение, что в его опытах возбуждался новый тип радиоволны-поверхностная волна (ПВ).

Возможно по этой причине, выяснением вопроса занялся в 1907 г. аспирант Зоммерфельда Яцек Ценнек. Он указал на связь исследований Кона и Уллера с вопросом о распространении радиоволн над земной поверхностью. В развитие их результатов Я.Ценнек показал , что в среде не только с малыми, но и с большими потерями, уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями допускают решение, которое может быть названо поверхностной волной, направляемой плоской поверхностью раздела двух сред:

П-вектор Герца) 6 т.е. представляет собой совокупность двух плоских волн, одна из которых локализована в воздухе, другая в среде. Если среда обладает конечной проводимостью, то а и Р комплексны. Дисперсионное соотношение для ПВ, распространяющихся по границе раздела сред с диэлектрическими проницаемостями 8 и е0 имеет вид к к,

2 &0 О где к и со - волновой вектор и частота волны; ко - ?

СО С с - скорость света в вакууме. Волна "привязана" к поверхности, её фазовая скорость несколько превышает скорость света в диэлектрике и зависит от свойств подстилающей поверхности. Ценнек считал, что поле реального излучателя на большом удалении от него будет иметь вид найденной им волны. Однако из его работы следует лишь совместимость решений указанного выше вида с уравнениями электродинамики, возможность существования ПВ, но поле никак не связано с антенной, т.е. не раскрыт основной момент проблемы излучения.

Первая строгая теория распространения электромагнитных волн, излучаемая диполем, находящимся на плоской поверхности раздела двух однородных сред (земли и воздуха) была дана А.Зоммерфельдом в классической работе 1909 года . Существенный шаг вперёд, сделанный им, заключался в том, что он не считал землю идеальным проводником, а ат-мосферу-абсолютным изолятором, и приписывал каждой половине некоторую конечную диэлектрическую проницаемость и проводимость.

Зоммерфельд показал, что излучённое диполем электромагнитное поле можно представить в виде суммы поверхностной и объёмной волны. Он считал, что на больших расстояниях преобладает ПВ и таким образом им установлена связь поверхностной волны с источником излучения. Иными словами, он считал доказанным, что на далёких расстояниях поле от точечного источника представляет собой ПВ Ценнека. Концепция ПВ Цен-нека, подкрепленная авторитетом Зоммерфельда, долгое время была почти общепринятой. Её применяли к истолкованию многих аномальных явлений, наблюдаемых при распространении радиоволн, например к т.н. "береговой рефракции", когда волна, бегущая над морем, отражается от берега.

Однако, начиная с 1919 года, в теоретических работах Вейля , Ван-дер-Поля , В.А.Фока и др. этот вывод был оспорен и признан ошибочным. Сам А.Зоммерфельд, признавая неточности в вычислениях, концепцию поверхностной волны ошибочной не считал. Спор теоретиков мог разрешить только эксперимент. Такой эксперимент первым поставил Фельдман в 1933 г., изучавший распространение радиоволн вбли7 зи поверхности Земли (земной луч) и не обнаруживший ПВ . Затем Барроу в 1937 г. предпринял попытку обнаружить поверхностную волну Ценнека при возбуждении радиоволн над поверхностью озера Сен-нека в штате Нью-Йорк и также потерпел неудачу. Серия крупномасштабных экспериментов была проведена в нашей стране под руководством академиков Л.И.Мандельштамма и Н.Д.Папалекси. В течение ряда лет, с 1934 по 1941 год, изучалось поле излучения обычных радиоантенн, исследовалось распространение радиоволн вдоль земной поверхности (над сушей и морем) но ни при каких условиях не наблюдалась поверхностная электромагнитная волна Ценнека . С тех пор в отечественной радиофизике прочно утвердилось мнение о том, что возбудить эту волну реальными излучателями невозможно, и что сама концепция поверхностной волны Ценнека не соответствует физической реальности .

Сложилась парадоксальная ситуация: из уравнений Максвелла следует существование поверхностной электромагнитной волны, а на опыте она не наблюдается. Тем самым под сомнение была поставлена справедливость уравнений электродинамики. Стремление разрешить парадокс заставило автора поставить задачу о проведении самостоятельных исследований в лабораторных условиях. Полученный результат подтверждает правоту Зоммерфельда и Ценнека и устраняет противоречие .

В итоге описанных событий интерес к поверхностным электромагнитным волнам сильно упал, и в 40-50 годы они, практически, не исследовались. Возрождение интереса к ПЭВ произошло в 60-е годы в связи с изучением взаимодействия излучения с веществом, в основном, с твердым телом и плазмой. Штерн и Феррел , видимо, первыми показали, что пики, наблюдаемые в области низких энергий при неупругом рассеянии быстрых электронов в металлической фольге (аномалии Вуда) можно объяснить возбуждением поверхностных плазмонов на границе раздела металла с покрывающей его пленкой окисла. Эксперименты Пауэлла подтвердили предсказания теории. Поверхностный плазмон описывается верхней частью дисперсионной кривой ПЭВ, расположенной вблизи плазменной частоты. (кривая 4 на рис.2)

В последние годы поверхностные электромагнитные волны исследовались теоретически и наблюдались экспериментально в различных лабораториях мира. При этом были сделаны два существенных вывода. Во-первых, было дано чёткое определение поверхностной волны: это волна, которая экспоненциально затухает при удалении в сторону от поверхности, по которой она распространяется. Распределение поля волны является лучшим доказательством её поверхностного характера. Во-вторых показано, что поверхностную волну можно считать характеристическим видом колебаний для данной поверхности. Возбуждение же ПВ является самостоятельной проблемой и её не следует смешивать с условиями существования волны. Поскольку фазовая скорость ПЭВ несколько отличается от скорости света в воздухе, то возбудить её с помощью объёмной волны можно лишь-при выполнении условия синхронизма- примерного равенства фазовых скоростей, точнее, равенства компонент волновых векторов в направлении распространения. Из этого следует, что не всяким излучателем можно возбудить поверхностную волну. По современным теоретическим представлениям возможны два случая (рис. 1 из работы )

Области существования ПЭВ Фано и Ценнека

Ценнек 8 п о

1) е-комплексная величина, 0. Тогда на поверхности раздела существуют т. н. волны Фано с фазовой скоростью V < с (прямая 5 на рис2), наблюдающиеся в газоразрядной плазме (поверхностные плазмоны), в полупроводниках и металлах. В настоящее время они активно исследуются и применяются в спектроскопии поверхности .

2) г-комплексная величина, с" >-8о, с" >0, .На плоской границе раздела возникает поверхностная волна Ценнека с фазовой скоростью V > с (прямая 6 на рис.2). До наших работ эта волна не наблюдалась. Граница раздела (кривая 1 на рис.1) между областями существования Фано и Ценнека определяется уравнением ы

0 е0 где 8=8" + 18"

При переходе от плоской поверхности раздела к криволинейной с малым радиусом кривизны, меньшим длины волны, волна Ценнека трансформируется в волну Зоммерфельда. Последняя описывается иным, более слож9 ным дисперсионым уравнением, включающим цилиндрические функции Бесселя и Ханкеля. Группе исследователей , удалось в лабораторных условиях возбудить волну ПЭВ Ценнека-Зоммерфельда в диапазоне СВЧ, доказать её поверхностный характер и измерить основные характеристики.

Новый этап в исследовании ПЭВ в газовой и твердотельной плазме связан с учётом влияния на проводящую среду внешнего магнитного поля. В магнитном поле проводящая среда становится гиротропной, появляется новая характеристика-частота циклотронного вращения носителей, что приводит к изменению свойств известных ПЭВ (рис.2). Поверхностный плазмон (кривая 4 на рис.2), например, трансформируется в магнетоплаз-мон с чуть меньшей (на несколько %) фазовой скоростью. Считалось, тем не менее, что вляние магнитного поля не очень существенно .

Автор экспериментально установил (совместно с В.И.Байбаковым), что в постоянном магнитном поле электродинамические свойства поверхности проводящей среды изменяются кардинально. Это приводит к появлению принципиально нового класса поверхностных электромагнитных волн (кривая 1 на рис.2). Они существуют только на поверхности намагниченной плазмы, обладают уникальными свойствами и распространяются с фазовыми скоростями много меньшими скорости света в вакууме, за что и были названы нами медленными поверхностными магнитоплазменными волнами (МПМВ). Иногда в литературе их называют поверхностными геликонами или волнами Байбакова-Дацко

Спектр поверхностных электромагнитных возбуждений 1-медленные ПМВ; 2-свет в диэлектрике; 3-ленгмюров-ские волны-объёмные плаз-моны; 4-поверхностные плазмоны в плазме (поляри-тоны в диэлектрике, магно-ны в магнетиках); 5-волна Фано; 6-волна Ценнека;

Диссертация состоит из двух частей Первая часть посвящена медленным поверхностным магнитоплазменным волнам в полупроводниках, вто-рая-поверхностным электромагнитным волнам на солёной воде. Медленные ПМВ в твёрдом теле были обнаружены нами в 1971 г. В процессе их

10 десятилетнего изучения была разработана методика возбуждения, выделения из смешанного поля, идентификации и измерения основных характеристик поверхностных электромагнитных волн в лабораторных условиях. Это и позволило в последующие годы на опыте доказать существование поверхностной электромагнитной волны Зоммерфельда-Ценнека.

Медленные ПМВ в 1п8Ь

Теория медленных ПМВ в полупропроводниковой плазме была построена после их экспериментального обнаружения. Существование и свойства медленных поверхностных магнитоплазменных волн следуют из решений уравнений Максвелла, записанных для ограниченной проводящей среды с соответствующими граничными условиями и описываются дисперсионным уравнением четвертого порядка. Теория явления была построена группой харьковских теоретиков под руководством В.М.Яковенко . Основные её положения состоят в следующем.

В постоянном магнитном поле электромагнитные свойства полупроводника анизотропны. Если вектор магнитного поля Н направлен вдоль оси ОЪ, то диэлектрическая проницаемость среды описывается гиротроп-ным тензором 0

XX ху 0 ху УУ

0 0 где недиагональные компоненты соответствуют высокочастотному хол-ловскому току.

В полупроводнике в постоянном магнитном поле существуют две объёмные электромагнитные волны (обыкновенная-антигеликон и не-обыкновенная-геликон, отличающиеся противоположным направлением круговой поляризации) с различными характеристиками распространения. На частотах много меньших частоты столкновений носителей V, а также плазменной Юр и циклотронной сос.(со « Шр, сос, V) при условии V « сос необыкновенные волны имеют небольшое затухание, и полупроводник оказывается для них прозрачной средой с большим эффективным показателем преломления. Однако, ни одна из этих волн не может быть поверхностной, поскольку не удовлетворяют на поверхности полупроводника граничным условиям, заключающимся в непрерывности на границе раздела сред компонент вектора напряжённости магнитного поля волны. Эти условия выполняются для суперпозиции обыкновенной и необыкновенной волн, составляющих на границе раздела поверхностные магнитоплазменные волны

11 двух типов: быстрые (у ~ с), которые в отсутствие внешнего магнитного поля переходят в известные поверхностные электромагнитные волны (поверхностные плазмоны) и медленные (у « с) ПМВ, не существующие без магнитного поля.

Пусть полупроводник занимает полупространство у<0 и граничит с вакуумом. Тогда, при условиях у « С0С; С22| » |8ху| » |£хх|:

8 XX £ 22 ху дисперсия и область существования медленных волн определяются соотношениями

2 2 С СОЗ в[£уу (1 + БШ 2 в) + 218ух БШ в

После упрощения (2) принимает вид со = к2Нпс 2 те

Я0.уш@ < О где 3 = а затухание:

А со (ку ~ к*)еху со у Л, 2 уу

5) угол между магнитным полем Н 0 и двумерным волновым вектором к в плоскости раздела сред, Х2~компонента волнового вектора в среде, со-частота, с-скорость света в вакууме, п-концентрация основных носителей заряда в полупроводнике, е-заряд электрона.

Соотношение (2а) показывает, что медленные ПМВ имеют квадратичный закон дисперсии, соотношение (З)-что распространение волны вдоль магнитного поля невозможно, т.е. волны являются косыми и существуют только в двух узких секторах. Соотношение (4) означает, что волны являются невзаимными (однонаправленными) относительно направления

12 постоянного магнитного поля. Медленные поверхностные магнитоплаз-менные волны могут существовать в следующих средах:

1) в однокомпонентном полупроводнике с относительно невысокой концентрацией носителей, когда ток смещения больше тока проводимости;

2) в плотной (ток смещения мал) однокомпонентной плазме твердого тела с анизотропной массой носителей; подобное наблюдается, например, в многодолинных полупроводниках;

3) в плотной однокомпонентной плазме с замагниченными электронами и незамагниченными дырками.

Схема области существования медленных ПМВ в конкретном полу-проводике антимониде индия - изображена на рис.3. X

Рис.3. Теоретическая область существования медленных поверхностных волн в антимониде индия (вид на поверхность полупроводника сверху). е1 = 45°-60°,е2= 135°- 150°. Фигурной стрелкой указано направление магнитного поля

На опыте медленные ПМВ обнаружены нами и исследованы в антимониде индия - полупроводнике с высокой подвижностью носителей (до л

77000 см /В.сек при Т=ЗООК), в основном, при комнатных температурах, в диапазоне частот 10 МГц - 2 ГГц и в магнитных полях до 30 кЭ. Разработанный автором экспериментальный метод позволял возбуждать и принимать медленные волны, изучать их свойства в различных режимах распространения:

Стоячей волны (плоский резонатор Фабри-Перо);

Волноводном;

Бегущей плоской волны на свободной поверхности.

Именно в такой последовательности эксперимент протекал во времени. Каждый из этих режимов давал возможность определять те характеристики волны, которые не могли быть получены другими способами, перепро

13 верял и дополнял другие. Экспериментальные доказательства существования нового класса поверхностных электромагнитных волн сводятся к следующим установленным фактам.

Область существования.

На рис.8 представлена схема одного из опытов, в котором наблюдались волны, бегущие по свободной поверхности. Зависимость мощности ВЧ-сигнала, проходящего по поверхности полупроводника, от ориентации магнитного поля приведена на рис.20. Видно, что на поверхности намагниченного полупроводника имеются два выделенных направления, в которых наблюдается наибольшее прохождение сигнала. Эти направления совпадают с секторами теоретической области существования медленных ПМВ.

Медленность волны.

Зарегистрирован вид волны, бегущей по поверхности в данном выделенном направлении, под определенным углом к магнитному полю (рис.18). Сравнение её длины X с длиной электромагнитной волны той же частоты в вакууме Х0 показывает, что Ю3 Я т.е. X « Х0 и волна - медленная.

Дисперсия

Измерениями зависимости длины волны от частоты и напряжённости магнитного поля установлено, что её дисперсия является квадратичной и совпадает с теоретической, определяемой соотношением (2); дисперсионная кривая приведена на рис.43. Дисперсия зависит от величины магнитного поля, т.е. волна является магнитоплазменной.

Невзаимность

Многочисленными экспериментами установлено, что медленные волны обладают однонаправленностью распространения, что подтверждают, в частности, рис.17, 20. Однонаправленность распространения наблюдалась и в режиме их волноводного распространения (рис.31). Волновод-ные моды формируются в том случае, когда поверхность полупроводника ограничена параллельными ребрами, нормальными магнитному полю. В этом случае волна распространяется поперёк поля.

Связь с поверхностью

Направления распространения волны однозначно определяются не только ориентацией внешнего магнитного поля, но и ориентацией нормали к поверхности полупроводника. Этот эффект "привязанности к поверхности" наглядно проявляется при возбуждении волны на плоскостях пластинки антимонида индия, намагниченной параллельно её плоскости. Зарегистрированная в опыте схема направлений распространения волны на плоскостях пластинки приведена на рис 28. Волны, возбуждаемые на верхней и нижней плоскостях в соответствии с ориентацией нормалей к этим плоскостям, бегут в противоположные стороны навстречу друг другу.

Поперечная структура поля волны

Распределение поля изображено на рис.44 Видно, что поле поверхностной волны спадает в обе стороны от поверхности полупроводника, однако его максимум находится не на поверхности, а смещён вглубь среды. Подобное распределение амплитуды необычно для поверхностных волн и у других волн этого типа (быстрые поверхностные электромагнитные волны, гравитационно-капиллярные волны на поверхности жидкости, поверхностные акустические волны) не наблюдается. Смещение максимума поля волны под поверхность полупроводника вызвано особенностями распространения электромагнитных волн в гиротропной среде и объясняется интерференцией двух парциальных волн, существующих в объёме полупроводника (обыкновенной и необыкновенной) и имеющих различную скорость спада поля вглубь полупроводника, а на его поверхности находящихся в противофазе.

Затухание

Для собственного антимонида индия при комнатной температуре и в магнитном поле 18 кЭ затухание составляет 2,7 дБ или 1,35 раза по амплитуде на длину волны. В этих же условиях длина волны в направлении магнитного поля равна ~7 мм (в направлении распространения Х-5 мм), поэтому затухание на единицу длины составляет, примерно 0,4 дБ/мм или в два раза по амплитуде на расстоянии 10 мм. У медленной ПМВ затухание на длину волны постоянно и не зависит от частоты.

Поляризация

Максимальное прохождение сигнала по поверхности образца (рис.46) наблюдается при постановке излучателя, возбуждающего ТЕ-волну (Н-компонента поля нормальна поверхности), что соответствует теории ПМВ. Строго говоря, волна поляризованна эллиптически.

Научное и практическое значение полученных результатов заключается в том, что спектр известных поверхностных электромагнитных колебаний оптического диапазона частот (плазмоны, поляритоны, магно-ны) дополнен двумя новыми ветвями: медленной поверхностной магнито-плазменной волной и быстрой волной Зоммерфельда-Ценнека, обнаруженными в ВЧ и СВЧ диапазоне, что открывает новое ВЧ-направление исследований в электродинамике поверхности.

На основе медленных ПМВ могут быть созданы новые методы исследования поверхности проводящих сред (металлов, полупроводников, плазмы), способы определения параметров полупроводников, диагностики твердотельной плазмы, а также новые виды датчиков магнитного поля, радиотехнических устройств различного назначения, активных твердотельных приборов СВЧ и магнитоплазменных ЛБВ, управляемых элементов планарных оптических систем обработки информации.

Значение исследований выходит за рамки физики твердого тела. Благоприятные условия для распространения медленных магнитоплазменных волн имеются в ионосфере Земли . В случае их экспериментального обнаружения возможно использование ПМВ для исследования и активного воздействия на ионосферу Земли, а также для создания дополнительных каналов радиосвязи.

Приоритет

Любое новое физическое явление должно быть обсуждено и признано научной общественностью, поэтому уместно привести сведения о приоритете и признании его в России и за рубежом.

Возможность существования медленных ПМВ была теоретически обоснована в статье С.И.Ханкиной и В.М.Яковенко "О возбуждении поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках", поступившей в редакцию журнала "Физика твердого тела" 19 июля 1966 года. . Об экспериментальном обнаружении медленных волн В.И.Байбаков и В.Н.Дацко сообщили в приоритетной статье "Поверхностные волны в 1п8Ь", поступившей в редакцию журнала "Письма в ЖЭТФ" 17 января 1972г..

После опубликования нами основных работ, появились статьи, затрагивающие приоритет и значение нового явления. Например, в статье Флай-ва и Куина отмечалось, что "Байбаков и Дацко представили экспериментальные результаты, указывающие на то, что в электронно-дырочной плазме ГпБЬ при комнатной температуре существует новая низкочастотная поверхностная волна"; А.Б.Давыдов и В.А.Захаров указывают на приоритет С.И.Ханкиной и В.М.Яковенко в теоретическом, В.И.Байбакова и В.Н.Дацко в экспериментальном исследовании нового вида поверхностных волн. В статье Э.А.Канера и В.М.Яковенко в журнале "Успехи физических наук" отмечено, что поверхностная геликонная волна, предска

16 занная в работе была недавно обнаружена экспериментально Байбаковым и Дацко в антимониде индия".

В научной литературе широко обсуждался и вопрос о достоверности обнаруженного явления ; в дискуссии достоверность была доказана. Независимым экспериментальным подтверждением явилась работа Г.Руй-биса и Р.Толутиса .

Поверхностные электромагнитные волны на солёной воде

Любой реальный источник электромагнитного поля, расположенный на границе раздела двух сред, возбуждает как поверхностные, так и объёмные волны, разделение их оказывается сложной экспериментальной задачей. В наших опытах ПЭВ наблюдались в лабораторных условиях на поверхности воды различной солёности (преимущественно 35%о) в диапазоне частот 0.7-6.0 ГГц. Были применены разработанные ранее методы возбуждения и исследования стоячей и бегущей поверхностных волн.

В режиме стоячей волны волна Зоммерфельда-Ценнека (цилиндрическая модификация плоской ПВ Ценнека) впервые наблюдалась на столбе солёной воды, размещённом между двумя металлическими листами, представляющими собой плоский резонатор Фабри-Перо. Были измерены дисперсия и поперечное распределение поля, однозначно свидетельствующие о её поверхностном характере. Поверхностная электромагнитная волна изучалась также на плоской поверхности воды в резонаторе из двух плоских параллельных пластин, погружённых в воду, в условиях её размерного резонанса. При этом было осуществлено отделение ПВ от объёмных полей и измерена её амплитудная структура.

В режиме бегущей волны используя излучатель специальной конструкции, удалось оторвать объёмное излучение от поверхности и направить его вверх под большим углом к горизонту, освободив тем самым ПВ от примеси объёмного поля. В излучении такого источника, расположенного над поверхностью воды, зафиксировано наличие волны, распространяющейся вдоль поверхности, амплитуда которой убывает с расстоянием р до излучателя как что соответствует расходимости ПВ, возбуждаемой аксиально-симметричным источником. Измерения вертикальной структуры поля в этой волне показали, что поле экспоненциально спадает по мере удаления от поверхности, причем измеренные зависимости высоты локализации от частоты и солёности воды оказались в хорошем согласии с теоретическими расчетами.

Проведен анализ результатов единственного известного нам эксперимента (Хансен, США, 1974 г.) по распространению электромагнитного поля декаметрового диапазона (5-30 МГц), возбуждаемых специальными антеннами, над океанской поверхностью на трассе протяженностью 237 км. В отличие от Хансена , нашедшего необъяснимую аномалию в распространении электромагнитного поля, нами сделан вывод о том, что в его эксперименте возбуждалась смесь объёмных и поверхностных волн, причём трасса сама выбирала менее затухающие волны. Мы показали, что на частотах меньше некоторой критической частоты, зависящей от солёности (15 МГц в случае Хансена), ПВ Ценнека затухает значительно слабее, чем земной луч. Следовательно, на частоте выше 15 МГц распространение электромагнитного поля происходило земным лучом, а на частоте менее 15 МГц-в виде ПВ Ценнека, чем и объясняется аномалия. Данные по относительному затуханию ПВ, полученные из работы Хансена, хорошо согласуются с результатами наших собственных лабораторных измерений.

Наблюдение и идентификация волны Ценнека в лаборатории является первым шагом в изучении этого явления. Следующий шаг состоит в исследовании её в естественных условиях. Нами рассмотрены различные аспекты распространения ПВ над океанской поверхностью (кривизна Земли, влияние волнения) с точки зрения возможности создания новых каналов дальней радиосвязи и радиолокатора на поверхностной волне Ценнека.

Материал диссертации изложен в следующей последовательности.

Часть I. Медленные ПМВ в полупроводниках

В главе I рассмотрен спектр нормальных электромагнитных волн на поверхности намагниченного полупроводника и изложена теория медленной поверхностной магнитоплазменной волны.

В главе II описаны методика эксперимента, экспериментальная установка, приведены параметры образцов.

В III главе исследованы волны, бегущие по свободной поверхности, найдена область их существования, установлена форма волны, невзаимность распространения и зависимость длины от угла между направлением её распространения и ориентацией магнитного поля, разделены поверхностная волна и подповерхностный геликон.

IV глава посвящена поверхностным волнам в ограниченных структурах (режим волноводного распространения). Установлена область существования волны по магнитному полю, измерено затухание и влияние температуры на характеристики распространения, продемонстрирована ярко выраженная невзаимность и однонаправленность распространения волны относительно магнитного поля.

В V главе приводятся результаты исследования в режиме стоячей волны в поверхностном резонаторе Фабри-Перо. Рассмотрена схема движения волны, определены её структура, дисперсия и скорость. Описан обнаруженный в процессе исследования медленных ПМВ эффект необычной концентрации поля объёмной волны-образование геликонных пучков в объёме полупроводника.

В VI главе предложены 12 радиотехнических устройств, которые могли бы быть созданы на основе медленных поверхностных магнитоплаз-менных волн.

Часть II Поверхностные электромагнитные волны на солёной воде

В главе I дан анализ работ по поверхностным электромагнитным волнам без магнитного поля: приведены принципиально важные моменты теории А.Зоммерфельда; критически рассмотрена теоретическая концепция Л.И.Манделыптамма; изложен современный взгляд на поверхностные электромагнитные волны; описаны основные свойства волны Ценнека.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Дацко, Владимир Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Доказано, что в магнитном поле на поверхности раздела плазмопо-добной среды с диэлектриком существуют медленные (у«с) поверхностные электромагнитные волны.

2 Спектр поверхностных электромагнитных колебаний дополнен низкочастотной ветвью: медленные магнитоплазменные волны обнаружены и исследованы в антимониде индия при 200-400 К, в диапазоне ВЧ и СВЧ и в магнитных полях до 30 кЭ. Установлены область существования; дисперсия; фазовая скорость и затухание, поперечная структура поля; поляризация.

3 Установлено, что в намагниченном полупроводнике объёмный геликон вблизи поверхности трансформируется в псевдоповерхностную волну.

4 Разработан экспериментальный метод исследования поверхностных медленных магнитоплазменных и быстрых электромагнитных волн на поверхности проводящих сред.

5 Обнаружено явление "электромагнитного прокола": в пластинке анти-монида индия, помещённой в мвгнитное поле, нормальное её плоскости, электромагнитное поле СВЧ при неоднородном возбуждении распространяется в объёме в виде волны с аномально сконцентрированным полем, отличающимся от известного геликона.

7 Предложены 12 устройств на основе медленных поверхностных магнитоплазменных волн, получены два авторских свидетельства.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 Сёмкин Сергей Викторович, Смагин Виктор Павлович ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ВЫЗВАННЫЕ МОРСКИМИ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ Адрес статьи: Статья опубликована в авторской редакции и отражает точку зрения автора(ов) по данному вопросу. Источник Альманах современной науки и образования Тамбов: Грамота, (59). C ISSN Адрес журнала: Содержание данного номера журнала: Издательство "Грамота" Информация о возможности публикации статей в журнале размещена на Интернет сайте издательства: Вопросы, связанные с публикациями научных материалов, редакция просит направлять на адрес:

2 194 Издательство «Грамота» Рис. 3. Заполнение компетенций Для разработки информационной системы учета объектов интеллектуальной системы. Был выбран язык программирования PHP, так как данный язык программирования позволяет создавать динамические webстраницы и связывать их с БД, реализованной на MySQL. Этот подход позволяет разместить систему в сети Интернет и обращаться к ней с любой точки без дополнительных программных продуктов. Разработанная информационная система учета объектов интеллектуальной собственности способствует: - сокращению времени, затрачиваемого на участие в выработке и осуществлении единой патентной и лицензионной политике организации; - перераспределению нагрузки сотрудников организации; - повышению оперативности учета и контроля над регистрацией ОИС и своевременной регистрации отчетов по ним. Информационная система учета объектов интеллектуальной собственности дает возможность удобного и надежного хранения и управления данными отдела, возможность подготовки документов на подачу заявки на официальную регистрацию программы для ЭВМ или базы данных. Это позволит существенно повысить качества услуг по защите и охране РИД, увеличит эффективность работы с объектами интеллектуальной собственности. Список литературы 1. Всероссийский научно-технический информационный центр [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения:). 2. Интеллектуальная собственность: товарный знак, изобретение, патентование, патентный поверенный, патентное бюро, Роспатент [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения:). 3. Сергеев А. П. Право интеллектуальной собственности в Российской Федерации: учебник. М., с. 4. Федеральный институт промышленной собственности [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения:). УДК Физико-математические науки Сергей Викторович Сёмкин, Виктор Павлович Смагин Владивостокский государственный университет экономики и сервиса ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ВЫЗВАННЫЕ МОРСКИМИ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ 1. Введение Морская вода, как известно, представляет собой проводящую жидкость благодаря наличию в ней ионов разных знаков. Ее электрическая проводимость, в зависимости от температуры и солености, может Сёмкин С. В., Смагин В. П., 2012

3 ISSN Альманах современной науки и образования, 4 (59) меняться на поверхности океана в пределах 3-6 Сим/м. Макроскопические движения морской воды в геомагнитном поле могут сопровождаться возникновением электрических токов, которые, в свою очередь, генерируют дополнительное магнитное поле. На это индуцированное поле оказывают влияние целый ряд различных факторов. Во-первых - вид гидродинамического источника - морские поверхностные волны , внутренние волны , течения и приливы, длинные волны типа цунами и т.д. Индуцированное электромагнитное поле может создаваться и другими типами макроскопического движения воды - акустическими волнами и искусственными источниками - подводными взрывами и корабельными волнами . Во-вторых, на это поле может влиять электрическая проводимость донных пород и топография морского дна . Можно так же отметить, что задача, аналогичная вычислению индуцированного поля в морской среде, возникает и в сейсмологии - движение литосферы в магнитном поле Земли приводит к возникновению индуцированных токов. Одним из направлений исследования пространственно-временной структуры индуцированного поля является случай, когда оно генерируется двумерной поверхностной волной . Расчет индуцированного поверхностной волной электромагнитного поля можно производить в различных приближениях и для различных моделей морской среды. Поле, индуцированное морскими поверхностными волнами в приближении бесконечно глубокого океана, было рассчитано в работах , а в работе теоретически исследованы поля, индуцированные ветровыми волнами в мелководных зонах с учетом конечной переменной глубины. Более сложная гидродинамическая модель морского волнения - вихревые волны с конечным гребнем рассматривались в . То есть, возможно значительное количество различных вариантов постановки задачи, в зависимости от того, влияние каких именно факторов требуется учесть. В данной работе мы исследуем влияние электрических и магнитных свойств донных пород, а именно - их магнитной проницаемости и электрической проводимости, на индуцированное электромагнитное поле. Обычно исследование влияния на магнитное поле свойств донных пород ограничивается учетом только электрической их проводимости , поскольку донные породы, как правило, не имеют выраженных магнитных свойств. Однако, в прибрежной зоне океана вполне возможна ситуация, когда у донных пород имеются и магнитные свойства. Кроме того, оказывается [Там же], что для потенциального движения жидкости возникновение токов в донных породах возможно только за счет индукционных эффектов - члена в уравнениях Максвелла. И отбрасывание этого слагаемого (квазистатическое приближение) приводит к тому, что индуцированное поле вообще не зависит от проводимости донных пород. Поэтому, мы рассмотрим такую постановку задачи об определении индуцированного поверхностной волной электромагнитного поля, в которой дно имеет не только электрическую проводимость, но и магнитные свойства, а так же будем учитывать эффект самоиндукции. 2. Основные уравнения и граничные условия Для решения задачи об определении электромагнитного поля, индуцированного движением морской воды в геомагнитном поле, используется система уравнений Максвелла: (1) Связь между парами векторов и (материальные уравнения) а также выражение для плотности тока различны в разных средах. Будем полагать, что в воздухе (среда I) связь между векторами, характеризующими электромагнитное поле такая же, как в вакууме, а электрические токи и объемные заряды отсутствуют:, (2) Морскую воду (среда II) будем считать однородной как по гидродинамическим, так и по электромагнитным свойствам. Материальные уравнения в системе координат, относительно которой жидкость движется, описаны в . Считая скорость движения воды малой, а индуцированное магнитное поле значительно меньшим геомагнитного поля, получим: , (3) (4) где и - электрическая проницаемость и проводимость морской воды. Рассмотрим вопрос об объемных электрических зарядах внутри воды. Из уравнений (1), соотношения (3), закона Ома (4) и условия сохранения электрического заряда получим: (5) Для случая стационарного процесса, когда и, решение (5) имеет вид: где - характерное время установления стационарного состояния. При,. Это значит, что любой установившийся гидродинамический и гидроакустический процессы можно

4 196 Издательство «Грамота» считать установившимся и в электродинамическом смысле. Поскольку циклические частоты даже ультразвуковых волн не превосходят, с хорошей точностью можно считать, что Таким образом, при потенциальном движении морской воды () объемные заряды в морской воде отсутствуют. Донные породы (среда III) будем полагать полубесконечной однородной средой с проводимостью, диэлектрической и магнитной проницаемостями и соответственно. Материальные уравнения и закон ома в этой среде выглядят следующим образом:, (6) Объемная плотность электрических зарядов в среде III подчиняется уравнению, аналогичному (5), но с нулевой правой частью. Поэтому, в стационарном периодическом режиме. Характерное время установления равновесия того же порядка, что и. Как показано в , граничные условия на границах I-II и II-III имеют для малых скоростей движения воды такой же вид, как и для неподвижных сред. То есть, на границе I-II:, (7) На границе II-III:, (8) Поверхностные плотности зарядов и заранее не известны и находятся при решении задачи. 3. Двумерная поверхностная волна Рассмотрим двухмерную поверхностную волну, распространяющуюся в направлении оси (ось направлена вертикально вверх, а плоскость совпадает с невозмущенной поверхностью воды). Скорости частиц жидкости будут такими :, (9) - глубина моря., и связаны дисперсионным соотношением (10) Введем углы и, определяющие ориентацию вектора геомагнитного поля (в исходной системе координат) следующим образом: То есть, - это угол между вертикалью и вектором, зависящий от широты места, а - угол между направлением распространения волны и проекцией вектора на горизонтальную плоскость. Решение системы (1) будем искать в виде Подставляя эти выражения в (1), получим: (11) (12) (13) (14) (15) { () (16) { (17) { () (18) Уравнения (11)-(18) можно разбить на две группы: уравнения (11), (13), (16) и (18) для компонент, и и уравнения (12), (14), (15) и (17) для компонент, и. Уравнения второй группы решаем следующим образом. и выразим через: а уравнения для имеют вид Здесь,. Находя общее решение (20) и используя (19), получим в среде I: (19) (20)

5 ISSN Альманах современной науки и образования, 4 (59) в среде II:, (21) (22) в среде III:, (23) Для определения коэффициентов, и используем граничные условия (7) и (8) Исключая и, сведем систему к двум уравнениям для и которые запишем в матричном виде: () () () Решая эту систему, находим коэффициенты, и через которые выражаются компоненты электромагнитного поля, и. Аналогичным образом решим систему уравнений (11), (13), (16) и (18) для компонент, и а уравнения для имеют вид Компонента выражается из (19). Решая (25) и используя (23) и (19) найдем компоненты в среде I: в среде II: (24) (25) (26) (27) в среде III: Используя граничные условия (7) и (8), получим: (28) Отсюда и. Таким образом, во всех трех средах и { (29) { (30) Компонента имеет разрывы на границах между средами. Это означает, что на границах имеются поверхностные заряды, плотности которых определяются из условий (7) и (8): (граница I-II) (31) (граница II-III) (32) Из полученного решения следует, что компоненты плотности тока и равны нулю во всех трех средах, что согласуется с условием сохранения электрического заряда. Компонента не равна нулю и

6 198 Издательство «Грамота» по порядку величины есть. Существование периодически меняющихся поверхностных зарядов на первый взгляд противоречит условию: поскольку среда не сверхпроводящая, поверхностные токи отсутствуют, и изменение поверхностного заряда может быть связано только с существованием нормальной к границе компоненты объемного тока. Величину этой компоненты найдем из условия сохранения заряда Таким образом, отношение будет порядка что для морской воды и типичных частот ветровых волн составляет примерно. То есть, при отбрасывании мы не выходим за пределы точности, с которой рассматриваются материальные уравнения (2), (4) и (6) и граничные условия (7) и (8). 4. Результаты расчетов и выводы Таким образом, для двумерной поверхностной волны, имеющей произвольное направление относительно магнитного меридиана, мы рассчитали компоненты магнитного и электрического полей во всех средах, а так же поверхностные электрические заряды на дне и свободной поверхности. Влияние электрических и магнитных свойств донных пород на индуцированное волной магнитное поле проявляется следующим образом. Рис. 1 На Рис. 1 показаны зависимости равных над поверхностью амплитуд компонент и (в единицах) от периода волны для волн одинаковой амплитуды. Кривая 2 соответствует случаю немагнитного и непроводящего дна (,), кривая 1 - случаю немагнитного проводящего дна (,), кривая 4 - случаю магнитного непроводящего дна (,), а кривая 3 - случаю магнитного проводящего дна (,). Все кривые рассчитаны для случая,. Оказывается, что для любого значения периода волны, индуцированное поле монотонно растет с ростом магнитной проницаемости дна и падает с ростом его проводимости. Зависимость магнитного поля от периода волны может быть как монотонно растущей, так и имеющей максимум - в зависимости от ориентации волны по отношению к геомагнитному полю. Рис. 2

7 ISSN Альманах современной науки и образования, 4 (59) На Рис. 2 приведены зависимости индуцированного магнитного поля (в тех же единицах, что и на Рис. 1) от глубины моря (в километрах) для волн с периодом при,. Кривые 1, 2, 3 и 4 соответствуют значениям, равным 1, 2, 10 и 100. Из полученных результатов можно сделать следующие общие выводы: 1. Объемные электрические заряды не возникают ни в морской воде, ни в проводящих донных породах в случае потенциального движения морской воды. 2. Поверхностные электрические заряды (30), (31) определяются только компонентой геомагнитного поля, амплитудой и частотой волны и глубиной океана и не зависят от магнитной проницаемости и электрической проводимости донных пород и морской воды. 3. Вдольгребневая компонента индуцированного магнитного поля равна нулю во всех средах. 4. Вдольгребневая компонента индуцированного электрического поля равна нулю в квазистатическом приближении, а компоненты и, как и поверхностные электрические заряды, не зависят от электрических и магнитных свойств воды и донных пород. 5. Для всех значений глубины океана и периода волны величина индуцированного магнитного поля монотонно растет к конечному предельному значению с ростом магнитной проницаемости донных пород и монотонно падает с ростом их проводимости. Список литературы 1. Горская Е. М., Скрынников Р. Т., Соколов Г. В. Вариации магнитного поля, индуцированные движением морских волн на мелководье // Геомагнетизм и аэрономия С Гульельми А. В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и магнитосфере Земли // УФН Т С Зоммерфельд А. Электродинамика. М., Савченко В. Н., Смагин В. П., Фонарев Г. А. Вопросы морской электродинамики. Владивосток: ВГУЭС, с. 5. Семкин С. В., Смагин В. П., Савченко В. Н. Магнитное поле инфразвуковой волны в океаническом волноводе // Геомагнетизм и аэрономия Т С Сёмкин С. В., Смагин В. П., Савченко В. Н. Генерация возмущений магнитного поля при подводном взрыве // Известия РАН. Физика атмосферы и океана Т С Смагин В. П., Семкин С. В., Савченко В. Н. Электромагнитные поля, индуцированные корабельными волнами // Геомагнетизм и аэрономия Т С Сретенский Л. Н. Теория волновых движений жидкости. М.: Наука, с. 9. Фонарев Г. А., Семенов В. Ю. Электромагнитное поле морских поверхностных волн // Исследование геомагнитного поля на акваториях морей и океанов. М.: ИЗМИРАН, С Fraser D. C. The Magnetic Fields of Ocean Waves // Geophys. Journal Royal Astron. Soc Vol P Larsen J. C. Electric and Magnetic Fields Induced by Deep Sea Tides // Geophys. Journal Royal Astron. Soc Vol. 16. P Pukhtyar L. D., Kukushkin A. S. Investigation of the Electromagnetic Fields Induced by Sea Motion // Physical Oceanography Vol P Sanford T. B. Motionally Induced Electric and Magnetic Fields in the Sea // J. Geophys. Res Vol P Warburton F., Caminiti R. The Induced Magnetic Field of Sea Waves // J. Geophys. Res Vol P Weaver J. T. Magnetic Variation Associated with Ocean Waves and Swell // J. Geophys. Res Vol P УДК 34 Юридические науки Виктория Витальевна Сидоренко, Айгуль Шарифовна Галимова Башкирский государственный университет ПРОБЛЕМА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ Рабочее время является важной категорией в организации труда на предприятии. Представляет собой время, в течение которого работник в соответствии с правилами внутреннего трудового распорядка и условиями трудового договора должен исполнять трудовые обязанности, а также иные периоды времени, которые в соответствии с законами и иными правовыми актами относятся к рабочему времени . Рабочее время является естественной мерой труда, существуя при этом как многоплановая категория, т.к. от продолжительности рабочего времени зависит общее состояния здоровья и жизнедеятельности человека. Продолжительность и интенсивность рабочего времени прямо влияет на продолжительность времени отдыха необходимого человеку для восстановления сил, потраченной энергии, выполнения семейных обязанностей по воспитанию и т.д. Поэтому строжайшее соблюдение законодательства о рабочем времени одновременно является обеспечением важнейшего конституционного права человека - права на отдых. Регулирование рабочего времени решает такие важнейшие задачи как: установление возможного участия граждан в общественном труде, обеспечение охраны труда, соблюдение гарантия права на отдых . Сидоренко В. В., Галимова А. Ш., 2012

Теория линий передачи Распространение электромагнитной энергии по направляющим системам Направляющая система это линия, способная передавать электромагнитную энергию в заданном направлении. Таким канализирующим

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ 4.. Волновое уравнение электромагнитной волны Из уравнений Максвелла следует вывод о том что электромагнитное поле способно существовать без электрических зарядов и токов. При

Центр обеспечения качества образования Институт Группа ФИО МОДУЛЬ: ФИЗИКА (ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ + КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ (МОДУЛЬ 5 И 6)) 1 Верные утверждения 1) магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены

УДК 535.361 В. С. Г о р е л и к, В. В. Щ а в л е в ОТРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ОТ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Получены новые соотношения для коэффициентов

Электромагнитные волны. 1. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны.. Основные свойства электромагнитных волн. 3. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнинга. 4. Излучение диполя. 1.

I..3 Основные свойства электромагнитных волн. 1. Поперечность и ортогональность векторов E r и H r Система уравнений Максвелла позволяет корректно описать возникновение и распространение электромагнитных

УДК 539. 25 ТОЧНОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ВОЛН С ПЛОСКОЙ ГРАНИЦЕЙ Х.Б. Толипов Анализ характеристик рассеянного волнового поля является классической задачей геофизики, ультразвуковой

ТИПОВЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕСТУ (ч.) Уравнения Максвелла 1. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля имеет вид: Укажите следствием каких уравнений являются следующие утверждения: в природе

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2006. Т. 47, N- 3 43 УДК 551.466.3 К ТЕОРИИ СТАЦИОНАРНЫХ ВОЛН НА ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТЕЧЕНИИ С ЛИНЕЙНЫМ ПРОФИЛЕМ СКОРОСТИ А. А. Зайцев, А. И. Руденко Атлантическое

5 Направляемые волны Направляемая волна это волна которая распространяется вдоль заданного направления Приоритетность направления обеспечивается направляющей системой 5 Основные свойства и параметры направляемой

Кинетическая индуктивность зарядов и её роль в классической электродинамике Менде Ф. Ф. Диэлектрическая и магнитная проницаемость материальных сред являются фундаментальными параметрами, которые входят

Декабрь 1992 г. Том 162, 12 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК МЕТОДИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ РЕАКТИВНЫХ КОМПОНЕНТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ А.А. Колоколов, (Московский физико-технический институт, Московский станкоинструментальный

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N o 2.11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ПОМОЩЬЮ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ Цель работы Целью данной работы является изучение процесса распространения электромагнитных

Факультатив Метод последовательных приближений вычисления квазистационарных электромагнитных полей (этого вопроса нет в учебниках) Если электромагнитные поля изменяются во времени медленно, то уравнения

Сафронов В.П. 2012 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА - 1 - Глава 17 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ Система из четырех уравнений Максвелла полностью описывает электромагнитные процессы. 17.1. ПЕРВАЯ ПАРА

4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Колебательным контуром называют электрическую цепь составленную из конденсаторов и катушек в которой возможен колебательный процесс перезарядки конденсаторов Этот процесс

Магнитное поле прямолинейного проводника с током Основные теоретические сведения Магнитное поле. Характеристики магнитного поля Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды,

1 ЛЕКЦИЯ 21 Электростатика. Медленно меняющиеся поля. Уравнение Пуассона. Решение уравнения Пуассона для точечного заряда. Потенциал поля системы зарядов. Напряженность электрического поля системы зарядов.

1 Давление и импульс электромагнитных волн Давление электромагнитной волны на поверхность идеального проводника 1. Электромагнитные волны, отражаясь или поглощаясь в телах, оказывают на них давление. Это

ЛЕКЦИЯ 21 Электростатика. Медленно меняющиеся поля. Условия медленно меняющихся полей. Уравнение Пуассона. Решение уравнения Пуассона для точечного заряда. Потенциал поля системы зарядов. Напряженность

W09 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ. ПОЛЯРИТОНЫ. Перейдем к рассмотрению особенностей электромагнитных волн в различных средах. Всем известные уравнения Максвелла будем использовать в виде 1 B div D 0 rot E t (1)

Занятие 17 Тема: Волновое движение Электромагнитная волна Цель: Уравнение бегущей гармонической волны Смещение, фаза, волновой вектор Энергия волны Вектор Пойнтинга-Умова Стоячая волна Краткая теория Волновые

1 1 Условие квазистационарности поля Квазистационарное переменное электромагнитное поле - это приближенный способ описания электромагнитного поля при котором можно пренебречь током смещения в системе уравнений

Хмельник С.И. Новое решение уравнений Максвелла для сферической волны Оглавление. Введение. Решение уравнений Максвелла 3. Потоки энергии 4. О продольной волне 5. Заключение Приложение Литература Таблицы

Семестр Лекция Волны Волны. Уравнение плоской монохроматической волны. Волновое уравнение. Вопросы. Волна. Фронт волны. Волновая поверхность. Поперечные и продольные волны (примеры. Уравнение плоской волны.

ТЕМА 16 УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА 161 Ток смещения 162 Единая теория электрических и магнитных явлений Максвелла Система уравнений Максвелла 164 Пояснения к теории классической электродинамики 165 Скорость распространения

Тема: Законы переменного тока Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц или макроскопических тел Переменным называется ток, который с течением времени изменяет свою величину

1 7. Уравнения Максвелла и электромагнитные волны 7.1. Уравнения Максвелла До сих пор мы изучали уравнения Максвелла небольшими фрагментами. Теперь пора прибавить последнюю часть и соединить их все воедино.

Электростатика ТИПОВЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕСТУ 1 (ч. 2) 1. Поле создано бесконечной равномерно заряженной нитью с линейной плотностью заряда +τ. Укажите направление градиента потенциала в точке А. 2. Каждый из

Экзамен Условие фазового синхронизма (продолжение Обойти это препятствие можно за счет двулучепреломления (два разных показателя преломления в кристалле Дело в том, что в кристалле распространяются две

Сокращения: Опр Ф-ка Ф-ла - Пр - определение формулировка формула пример 1. Электрическое поле 1) Фундаментальные свойства заряда (перечислить) 2) Закон Кулона (Ф-ла, рис) 3) Вектор напряженности электрического

ЛИЦЕЙ 1580 (ПРИ МГТУ ИМ.Н.Э.БАУМАНА) КАФЕДРА «ОСНОВЫ ФИЗИКИ», 11КЛАСС, 3 СЕМЕСТР 2018-2019 УЧЕБНЫЙ ГОД Вариант 0 Задача 1. Топкое прополочное кольцо площади S = 100 см. 2 -, имеющее сопротивление R = 0,01

Л17 Теория электромагнитного поля Максвелла основана на следующих положениях 1. Всякое изменение магнитного поля создает в окружающем пространстве вихревое Е.. Всякое изменение электрического поля (ток

Семинар 3 Электромагнитные волны Основной материал семинара изложен в конспекте лекций по оптике Здесь только дополнительные моменты 1 В вакууме распространяется электромагнитная волна электрическая составляющая

Ошибка Лоренца и Воронежской группы АНАЛИЗ. Беляев Виктор Григорьевич, гор. Фастов. [email protected] Аннотация. Применение, каких либо преобразований координат к уравнениям Максвелла с целью доказательства

Тема 3. Электромагнитные волны в веществе. П.1. ЭМВ в веществе П.2. Дисперсия. П.3. ЭМВ в проводящем веществе П.4. Дисперсия и затухание ЭМВ в диэлектрике П.5. Поляризация 1 П.1. ЭМВ в веществе Проблема:

Движение заряженных частиц в электрическом поле Основные теоретические сведения На заряд Q, помещенный в электростатическое поле напряженностью E действует кулоновская сила, равная F QE Если напряженность

Лекция 5 Распространение волн Отражение и преломление звука k k sin k os При падении звуковой волны ω на границу раздела двух сред характеризуемых скоростью звука с и с соответственно возникает отраженная

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск 68 www.a.ru/scece/rudy/ УДК 537.87+6.37 Решение задачи рассеяния на протяженных цилиндрических телах различного сечения Гиголо А. И. * Кузнецов Г. Ю. ** Московский

1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 38 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Цель работы: изучение свойств электромагнитных волн и методов их индикации. Теоретическое введение Максвелл теоретически доказал (основываясь

Ленгмюровская частота и её значение для физики плазмы Ф Ф Менде Ленгмюровская частота очень важным электродинамическим параметром представляет резонанс тока смещения и тока проводимости при наложение на

ВАРИАНТ 1 1. Относительно статических электрических полей справедливы утверждения: а) электростатическое поле действует на заряженную частицу с силой, не зависящей от скорости частицы, б) силовые линии

Лекция 11 План 1. Оптические явления на границе раздела сред: отражение и преломление поляризованного света на границе раздела.. Формулы Френеля. 3. Эффект Брюстера. 4. Изменение фазы световой волны при

Общая физика. сем. 2 Лекция 12 Электромагнитные волны (продолжение) План лекции: 1. Интенсивность электромагнитных волн. 2. Импульс электромагнитных волн. 3. Стоячая электромагнитная волна. 4. Излучение

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 5.9 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫЕ ВОЛНЫ НА СЛОЕ ЖИДКОГО ПРОВОДНИКА Тактаров Н.Г. Егерева Э.Н. Мордовский государственный университет г. Саранск Исследовано

29 Условия на границе раздела двух сред div(D) = ρ Для электрического поля уравнения Максвелла 1 B для D2n D1n = σ границы раздела двух сред превращаются в граничные условия, E2τ E1τ где n= n1 2, σ поверхностная

Лекция 8 Малые возмущения в газах Рассмотрим распространение малых возмущений в среде Пусть равновесное состояние среды описывается параметрами p V а отклонения от этих значений в каждой точке пространства

Основные экзаменационные вопросы по 2 части Основные. 1. Напряженность электрического Принцип суперпозиции. 2. Потенциал электрического 3. Поток вектора напряженности. Закон Гаусса. 4. Электростатическое

1 Вывод уравнений для возмущений течения жидкости 1.1 Возмущения в виде бегущих волн Запишем полную систему уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости, состоящую из уравнения неразрывности и трёх уравнений

Раздел I. Обратные задачи В.И Дмитриев. О ЕДИНСТВЕННОСТИ РЕШЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. Введение. Вопрос единственности решения обратной задачи является важной составляющей

Электромагнитные волны Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы

Глава 14 Уравнение Максвелла 115 Вихревое электрическое поле Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле E B, циркуляция которого E dl B = E Bl dφ dl =, (1151) dt где E Bl проекция

Уравнения Власова в концепции скалярно-векторного потенциала Ф. Ф. Менде В настоящее время уравнения Власова являются основными уравнениями электродинамики плазмы в которых электромагнитные поля самосогласованы

Хмельник С. И. Электромагнитная волна в проводе переменного тока Аннотация Предлагается решение уравнений Максвелла для провода переменного тока. Рассматривается структура токов и потоков энергии. Оглавление.

Поверхностный эффект не терпит поверхностного отношения I.4 Скин-эффект 1 Качественный анализ Рассмотрим теперь физику скин эффекта. Если в однородном проводнике имеется постоянный ток, то плотность тока

Моделирование физических явлений с помощью систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Описание движения в поле тяжести с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений Физические явления, рассматриваемые

Конденсатор колебательного контура длительное время подключён к источнику постоянного напряжения (см. рисунок). В момент t = 0 переключатель К переводят из положения 1 в положение 2. Графики А и Б представляют

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ НЭ БАУМАНА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СОРЕВНОВАНИЯ ОЛИМПИАДЫ «ШАГ В БУДУЩЕЕ» ПО КОМПЛЕКСУ ПРЕДМЕТОВ «ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ» ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ

Хмельник С. И. Еще о природе Земного магнетизма Аннотация Предлагается и обсуждается гипотеза о природе Земного магнетизма. Оглавление. Введение. Электромагнитная волна в сферическом конденсаторе 3. Магнитное

3. Лабораторная работа 21 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цели работы: 1) экспериментально исследовать квазистационарное электрическое поле, построить картину эквипотенциальных поверхностей и линий

1. Два положительных заряда q 1 и q 2 находятся в точках с радиус-векторами r 1 и r 2. Найти отрицательный заряд q 3 и радиус-вектор r 3 точки, в которую его надо поместить, чтобы сила, действующая на

Федеральное агентство по образованию ОУ ВПО Уральский государственный технический университет-упи Электромагнитная индукция. Уравнения Максвелла Вопросы для программированного контроля по физике Екатеринбург

ЛЕКЦИЯ 9 ПЛАЗМЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ На прошлых лекциях рассматривались элементарные возбуждения в системах, которые находятся в термодинамическом равновесии. Например, когда изучались сверхтекучесть и сверхпроводимость,

Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы - слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:

Днем работают на волнах 10-25 м, а ночью на волнах 35-100 м.

Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.

Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.

Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис. 3-39,в). Обработка измерений за короткие.интервалы времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному со среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих случаях разность между уровнями напряженности поля сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени, составляет 16±3,2 дБ.

Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 - 16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000 км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на линии протяженностью 6000 км. Интервал времени корреляции колеблется в пределах?о = 4,5 - 1,5 с. Масштаб пространственной корреляции зависит от протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты, характера неоднородностей ионосферы и лежит в пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с замираниями применяется прием па разнесенные антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать перпендикулярным к направлению трассы, расстояние разноса берут порядка масштаба корреляции 10?. Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации - прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с
узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей.

При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.

УДК 538.566.2: 621.372.8

Поверхностные электромагнитные волны на плоских границах электропроводящих сред с высокой проводимостью, волна Ценнека

В. В. Шевченко
Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Аннотация . Рассмотрены свойства теоретической модели поверхностных электромагнитных волн, направляемых плоскими границами высоко проводящих сред: металлов, влажной почвы, морской и вообще соленой воды. Вычислены фазовая, «групповая» и энергетическая скорости таких волн. Показано, что эти волны относятся к необычному типу волн, у которых «групповая» скорость отличается от энергетической скорости, т.е. скорости переноса волной энергии. И хотя в зависимости от параметров среды фазовая и «групповая» скорости таких волн могут быть больше скорости света с , их энергетическая скорость всегда меньше скорости света. К рассмотренному типу волн относится так называемая волна Ценнека.

Ключевые слова : поверхностные волны; фазовая, групповая, энегетическая скорости волн; волна Ценнека.

Abstract. The properties of a theoretical model of surface electromagnetic waves, guided by the plane boundaries of high conductive media: metals, humid soils, sea and salty water in general are considered. The phase,”group” and energy flow velocities of these waves are calculated. These waves are related to the unusual type of waves, the “group” velocity of which is differed from the energy flow velocity, that is the wave energy transport velocity. Although depending on medium parameters the phase and “group” velocities of these waves can be more than the light velocity c , their energy flow velocity always less than the light velocity c . So named Zenneck’s wave is related to considered the type of waves.

Key words : surface waves; phase, group, energy flow velocities of waves; Zenneck’s wave.

Введение

Вопрос об указанных в названии статьи поверхностных волнах и, в особенности, о так называемой волне Ценнека в течение многих лет время от времени, снова и снова поднимается в научных дискуссиях в области прикладной электродинамики, как теоретиками, так и экспериментаторами. Поскольку такие дискуссии отражены во многих публикациях (см., например, в и лит. ссылки в них), то здесь мы не останавливаемся на деталях опубликованных утверждений и сомнений. Отметим только, что обычно обсуждаются следующие вопросы. Возможна ли вообще с физической точки зрения волна Ценнека: не противоречит ли это физическим законам, а если возможна, то можно ли ее возбудить физически реализуемыми источниками и можно ли ее использовать для передачи сигнала в системах связи и в радиолокации.

Представленный ниже теоретический анализ даёт, по мнению автора, вполне определенный ответ, по крайней мере, на первые два из указанных вопросов, т.е. не противоречит и можно ее возбудить. Оставшийся вопрос относится к области технологии реализации и применения таких поверхностных волн.

1. Основные свойства поверхностной волны на плоской границе высоко проводящей среды

Пусть зависимость стационарного электромагнитного поля от времени имеет вид , где - круговая частота поля. Рассмотрим для простоты, как это делается обычно [ , ], двумерную модель (результаты легко переносятся на трехмерную модель ) электромагнитной поверхностной волны на плоской границе (Рис.1) между свободным пространством с параметрами ,и электропроводящей немагнитной () средой с эффективной диэлектрической проницаемостью , где комплексная безразмерная относительная проницаемость

. (1)

Рис. 1. Плоская граница электропроводящей среды

, . (2)

Например, для влажной почвы, морской и просто соленой воды () в радиоволновом диапазоне, а для металлов () в радиоволновом диапазоне, СВЧ, КВЧ и вплоть до инфракрасного диапазона оптических частот

, (3)

Где - удельная проводимость среды .

Комплексные магнитную и электрические компоненты поля поверхностной волны соответствующей поляризации, распространяющейся вдоль плоской границы среды в направлении оси z (Рис.2), представим в виде

, (4)

, (5)

(6)

где А – амплитудная константа, , с – скорость света и - длина волны в свободном пространстве, ,

, (7)

Рис. 2. Локализация поля волны около границы среды

Исходное дисперсионное уравнение, получаемое при сшивании поля на границе среды при y =0 согласно равенствам

. (10)

Приближенное уравнение и его решение при имеют вид

, (11)

,, (12)

а уточненное уравнение и его решение при , т.е. согласно (12) –

, . (13)

На основании этих соотношений и выражений (), () вычисляются значения

, (14)

. (15)

Таким образом, волна действительно является поверхностной, поскольку , , и она распространяется вдоль границы y =0 в направлении оси z .

Следует отметить, что результат (15) может быть получен также из соотношения

, (16)

(17)

которое позволяет проанализировать структуру поля волны, соответствующую выражениям (), ().

Действительно, величина , описывающая прижатие поля волны к границе среды, согласно (16) увеличивает значение , что замедляет скорость движения фазового фронта волны, а величина , описывающая наклон фазового фронта волны к границе среды (Рис. 3, физическая причина наклона состоит в том, что среда частично поглощает энергию волны) уменьшает значение , то есть ускоряет движение фазового фронта волны вдоль границы.

Рис.3. Наклон фронта волны к границе среды

При этом при значениях этих величин, соответствующих выражениям (), старшие по малой величине члены в () компенсируются, так что

, (18)

и в результате в вещественной части в () остаются только члены, пропорциональные квадрату этой малой величины. Отмеченный выше наклон направления распространения фазового фронта волны к границе среды (Рис.3), согласно сказанному, составляет малый угол

. (19)

Выражения (),(),() позволяют оценить протяженности поля поверхностной волны в поперечном (L y ) и продольном (L z )направлениях, которые приближенно равны

(20)

Здесь не учитывается малая поперечная протяженность поля волны внутри среды, равная согласно ()

. (21)

(32)

Здесь следует отметить, что переходы значений фазовой и групповой скоростей волн через скорость c происходят при отличающихся параметрах среды. Учитывая приближенный характер введенных скоростей, нет основания придавать какой либо физический смысл полученным конкретным значениям переходных параметров среды.

4. Энергетическая скорость

Энергетическая скорость, т.е. скорость передачи волной энергии [ , , ], может быть вычислена по следующей уточненной здесь формуле:

, (33)

где усредненные по времени - продольный (вдоль оси z ) поток переносимой волной мощности и – перемещаемая вместе с волной линейная плотность энергии на единицу длины вдоль направляющей структуры, т.е. плоской границы (также вдоль оси z ). Такая кинематически определяемая энергетическая скорость основана на теореме Умова- Пойнтинга. Она применима как к волнам, распространяющимся без потерь энергии, так и к волнам с потерями. Это определение не включает диссипативную и поглощаемую средой энергию, которая не распространяется вместе с волной. При этом выполняется баланс перемещаемой волной энергии вдоль границы среды.

Для рассматриваемой волны имеем

, (34)

где и - парциальные потоки мощности над и под плоскостью y =0 , которые согласно (), () равны

(35)

и, соответственно , где при м имеем

(36)

(37)

. (43)

На основании этого выражения и формулы () получим для рассматриваемых здесь поверхностных волн

, (44)

где - фазовая, а при малых значениях она же энергетическая скорость замедленной поверхностной волны в направлении движения фазового фронта. В результате на основании () получим

. (45)

По существу в проведенном вычислении было использовано свойство волн с плоским фазовым фронтом, применимое к плоским и близким к ним волнам, состоящее в том, что наклон направления движения фазового фронта по отношению к направлению распространения волны увеличивает фазовую скорость (), (), () и уменьшает энергетическую скорость (45) волны.

В итоге имеем, что энергетическая скорость поверхностной волны всегда меньше с , включая случай, соответствующий волне Ценнека, для которой фазовая и групповая скорости оказываются больше с .

5. Обсуждение результатов

Обсудим критически известные версии, на основании которых, казалось бы, можно утверждать, что рассмотренная выше теоретическая модель поверхностных волн не описывает физические поверхностные волны, направляемые границей электропроводящей среды с высокой проводимостью в случае, когда фазовая и/или групповая скорости оказываются больше скорости света с.

Как следует из другого, не асимптотического, способа представления полного поля источника в виде спектрального разложения по собственным волнам (по поперечным волновым числам с дискретно-непрерывным спектром) открытой направляющей структуры, здесь границы среды [ , , ], такое разложение в исходном виде содержит кроме интеграла выделенную поверхностную волну независимо от того медленная она или быстрая . Это разложение может быть получено как непосредственно на основании теории сингулярной (в бесконечном интервале) поперечной граничной задачи на собственные числа и собственные функции [ , ], так и путем преобразования указанного интегрального разложения Фурье по продольным волновым числам в разложение по поперечным волновым числам. Во втором случае при деформации контура интегрирования в комплексной плоскости волновых чисел этот контур одинаково заметает полюса подынтегрального выражения, соответствующие как медленной, так и быстрой поверхностным волнам [ , , ]. Таким образом, поверхностная волна как медленная, так и быстрая содержится в полном поле, возбужденном источником, но она затухает и исчезает в асимптотике, где остается только поле пространственной волны.

Заключение

Рассмотренные волны представляют собой особый тип поверхностных волн, поверхностный характер которых, т.е. экспоненциальный спад поля от границы рассматриваемой высоко проводящей среды в поперечном направлении, имеет здесь место не по причине замедленности ее фазовой скорости относительно скорости плоских волн над границей среды, что оказалось здесь необязательным, а по причине частичного поглощения в ней энергии в процессе распространения волны. Представленные результаты показывают, что рассмотренная модель таких поверхностных волн, не противоречит физическим законам. Поэтому нет оснований сомневаться в том, что она описывает физические волны и когда их фазовая скорость меньше c , и когда – больше, а общепринятая «групповая» скорость для них, судя по всему, не имеет четкого физического смысла.

При этом, однако, такие волны имеют существенные недостатки с точки зрения использования их в технических приложениях. Во-первых, они слабо прижаты к границе среды, т.е. их поле имеет достаточно большую протяженность в поперечном направлении над границей, поэтому для их эффективного возбуждения может потребоваться источник со слишком большим размером вертикальной апертуры . Во-вторых, их фазовая скорость лишь слегка отличается от скорости света с , поэтому любые, даже малые нерегулярности в плоскости границы среды могут привести к рассеянию поля волны и существенному увеличению потерь энергии при распространении вдоль границы. В частности такое может возникнуть при отклонении границы от плоскости, т.е. при наличии кривизны ее поверхности. Анализ рассмотренных поверхностных волн на нерегулярной границе требует специального исследования [ , ].

С другой стороны, при попытках применить поверхностные волны, например, на границах металлов в технических приложениях необходимо учесть, что поверхности реальных металлов обычно покрыты оксидными плёнками, имеющими толщину порядка долей микрона, микрона или нескольких микрон (естественные плёнки) и порядка десятков микрон (искусственно создаваемые плёнки для механической защиты поверхности металлов). В таком случае необходимо использовать результаты несколько иной теоретической модели направляющей системы: слоистой структуры типа металлическая подложка – диэлектрическая плёнка (обязательно с учётом потерь энергии в них) – свободное пространство . Наличие пленки может существенно повлиять на прижатие поверхностной волны в сторону его увеличения и, следовательно, на возможность упрощения возбуждения волны и большую ее устойчивость по отношению к нерегулярностям структуры.

В качестве послесловия к статье отметим, что в сентябре 2012 года данная статья была представлена в журнал УФН, в котором перед этим была опубликована серия статей , посвященных волне Ценнека, и, по существу, возникла дискуссия на эту тему. Однако статья не была принята для публикации по причине того, что редколлегия УФН решила «новые работы по волнам Ценнека к рассмотрению не принимать». В результате этого указанная публикация в УФН статей по данной теме фактически завершилась публикацией ошибочной статьи .

Литература

1.Barlow H. M., Wait J. R. // Electron. Letters . 1967.Т.3. №9.С.396.

2.Шевченко В. В. // Радиотехника и электроника. 1969.Т.14. №10.С.1768.

3., .: Golem Press , 1971).

17.Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972. С.420,431.

18.Зильберглейт А. С., Копилевич Ю. И. // Письма в ЖТФ. 1979.Т.5.№8. С. 454 .

19.Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М.: Изд. АН СССР, 1957.

20.Barlow H. M., Brown J. Radio Surface waves. Oxf.: Clarendon Press, 1962.

21. Шевченко В. В.//Дифференциальные уравнения.1979.Т.15. №11. С.2004 (ShevchenkoV.V.//Differential Equations.1980.V.15. №11.P.1431).

22.Шевченко В. В. // Изв. ВУЗов – Радиофизика. 1971.Т.14. №5.С.768.

В помощь изучающему электронику. Распространение радиоволн История исследования длинных и коротких волн

Рекомендованный список диссертаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые типы поверхностных электромагнитных волн в проводящих средах»

Похожие диссертационные работы по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Электромагнитные возбуждения в проводниках с анизотропной зонной структурой 1984 год, кандидат физико-математических наук Савинский, Сергей Степанович

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Дацко, Владимир Николаевич

Транскрипт