電磁波的反射與折射

1、電磁波的反射與折射第1頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五電磁波的反射和折射邊界條件（連續(xù)性）電磁波反射和折射的基本規(guī)律第2頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五1 電磁波在介質(zhì)分界面上的連續(xù)性一、兩種不同介質(zhì)的分界面2 21 1S，極薄(1)電場(chǎng)在法向(2)磁場(chǎng)在法向(3)電場(chǎng)在切向2 21 1極窄的閉合回路(4)磁場(chǎng)在切向第3頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五二、理想導(dǎo)體與介質(zhì)的分界面導(dǎo)體 S，極薄(1)導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)均為零(3)導(dǎo)體表面存在電流， 磁場(chǎng)與表面平行(2)導(dǎo)體外表面處電場(chǎng)與表面垂直導(dǎo)體 極窄的閉合回路1 電磁波在介

2、質(zhì)分界面上的連續(xù)性第4頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五2 電磁波反射與折射的基本定律 從電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律出發(fā)，討論均勻平面波以任意角度入射到無(wú)限大平面分界面時(shí)出現(xiàn)的反射與折射情況。垂直極化波 場(chǎng)量與入射面垂直；入射面 - 與n所在的平面；平行極化波 場(chǎng)量與入射面平行； 平面波的斜入射一、入射波的極化分類第5頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五垂直極化波 場(chǎng)量與入射面垂直；入射面 - 與n所在的平面；平行極化波 場(chǎng)量與入射面平行； 垂直極化波的斜入射2 電磁波反射與折射的基本定律一、入射波的極化分類第6頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分

3、，星期五垂直極化波 場(chǎng)量與入射面垂直；入射面 - 與n所在的平面；平行極化波 場(chǎng)量與入射面平行；平行極化波的斜入射一、入射波的極化分類2 電磁波反射與折射的基本定律第7頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五二、反射和折射定律媒質(zhì)1媒質(zhì)22 電磁波反射與折射的基本定律第8頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五在z=0 平面上,電場(chǎng)和磁場(chǎng)切向連續(xù)等式對(duì)任意x成立,必有用 代入上式, 得可見(jiàn) 反射角=入射角 -反射定律；二、反射和折射定律2 電磁波反射與折射的基本定律第9頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五在z=0 平面上, E1t=E2t ,

4、 有 折射定律。式中n1和n2代表介質(zhì)1、2的折射率二、反射和折射定律2 電磁波反射與折射的基本定律第10頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五三、反射和折射系數(shù)在 z=0 平面上,E1t=E2 t , H1t=H2t ,有聯(lián)立求解兩式,得到斯涅爾公式-反射系數(shù)-折射系數(shù)2 電磁波反射與折射的基本定律(1)垂直極化波第11頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五-反射系數(shù)-折射系數(shù)和 之間的關(guān)系若為正入射, 則和特例：垂直入射時(shí)的反射和折射系數(shù)2 電磁波反射與折射的基本定律第12頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五-反射系數(shù)-折射系數(shù)若為正

5、入射, 則和特例：垂直入射2 電磁波反射與折射的基本定律(2)平行極化波平行極化波的斜入射第13頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五 例 地球上空的電離層分布如圖所示, 圖中也示出了夏季白天電離層電子密度N與高度h的關(guān)系。電子密度有4個(gè)最大值, 每一最大值所在的范圍稱為一層, 由下而上依次稱為D、E、F1和F2層。 (1) 試?yán)谜凵涠烧f(shuō)明電磁波在其中的傳播軌跡, 并導(dǎo)出電磁波從電離層反射回來(lái)的條件。 (2) 設(shè)F2層的最大電子密度為Nmax= 21012(電子數(shù)/m3), 求電離層反射的最高頻率。 2 電磁波反射與折射的基本定律第14頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日

6、，6點(diǎn)56分，星期五電離層分布及對(duì)電磁波的反射 2 電磁波反射與折射的基本定律第15頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五解 (1) 電離層每一層中電子密度都是隨高度變化的。 可把它處理成由許多具有不同電子密度的薄層組成。 每一薄層中電子密度可認(rèn)為是均勻的, 設(shè)由下而上依次為N1, N2, , Nm,如圖所示, 且0N1N2 Nm?？傻? 第i層對(duì)頻率為f的電磁波的折射率為 因此 1n1n2 nm 。 把折射定律應(yīng)用于薄層界面, 得 從而有 當(dāng)m=90, 由上面的公式知 2 電磁波反射與折射的基本定律第16頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五這正是頻率f、

7、入射角0的電磁波從電離層反射回來(lái)的條件?？梢钥吹? 若0一定, 則f越高, 要求Nm越大。當(dāng)Nmax小于該值時(shí), 電磁波不能反射回來(lái), 而要穿透這一層進(jìn)入更上一層, 或穿透大氣層一去不返。 2 電磁波反射與折射的基本定律第17頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五 (2) 前面計(jì)算結(jié)果也表明, 若f一定, 則0越小, 反射條件要求的Nm越大。因此電離層能反射的最高頻率對(duì)應(yīng)于0=0而Nm=Nmax時(shí), 即 該頻率稱為電離層的臨界頻率。對(duì)本題, 代入Nmax值得fP = 12.7 MHz。這屬于短波波段, 因此頻率更高的微波都不會(huì)被電離層反射而能穿透大氣層, 從而可用來(lái)進(jìn)行地球的

8、星際通信和衛(wèi)星廣播等。 2 電磁波反射與折射的基本定律第18頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五四、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界平面的反射與折射兩種極化波對(duì)理想導(dǎo)體平面的斜入射 2 電磁波反射與折射的基本定律第19頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五理想導(dǎo)體內(nèi)部 E=0 , H=0 ,電磁波發(fā)生全反射或設(shè)場(chǎng)量參考方向四、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界平面的反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律第20頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五在理想介質(zhì)中 瞬時(shí)形式理想導(dǎo)體表面的正入射四、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界平面的反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律

9、第21頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五瞬時(shí)形式特點(diǎn)（1） 振幅隨 x 作正弦變化，相位與 x 無(wú)關(guān)，無(wú)波動(dòng)性，稱為駐波。（2） 完純導(dǎo)體表面必有感應(yīng)電流。四、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界平面的反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律第22頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五（3） 波節(jié)與波腹 稱為波節(jié)。 稱為波腹。E 最大, 波腹與波節(jié)四、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界平面的反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律第23頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五（3） 波節(jié)與波腹 波腹與波節(jié) E 的波節(jié)點(diǎn)是H 的波腹點(diǎn)； E 的波腹點(diǎn)是 H 的波節(jié)點(diǎn)

10、； 駐波不傳輸能量 波節(jié)與波腹的空間位置相差 ；四、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體交界平面的反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律第24頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五五、兩種理想介質(zhì)交界平面的反射與折射 為行駐波，能量一部分返回，一部分傳播。b）x 0 區(qū)域-行波、等幅波。 a） 區(qū)域?qū)硐虢橘|(zhì)的正入射2 電磁波反射與折射的基本定律第25頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五 時(shí)， ，分界面電磁場(chǎng)達(dá)到最大值。 時(shí)， ，阻抗匹配，分階段界面 ，全折射。 時(shí)， ，分界面電磁場(chǎng)達(dá)到最大值。 時(shí)， ，全反射， 區(qū)域的電磁波為駐波。（1） 性質(zhì)五、兩種理想介質(zhì)交界平面的

11、反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律第26頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五（2）駐波比 S 當(dāng) 時(shí)，（駐波，全反射） 當(dāng) 時(shí), (行波，無(wú)反射) 當(dāng) 時(shí), （行駐波，部分反射） 五、兩種理想介質(zhì)交界平面的反射與折射2 電磁波反射與折射的基本定律第27頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五例 一右旋圓極化波由空氣向一理想介質(zhì)平面(z=0)垂直入射, 坐標(biāo)如圖, 設(shè)2=90, 1=0, 2=1=0。試求反射波和透射波的電場(chǎng)強(qiáng)度及相對(duì)平均功率密度。解 入射波電場(chǎng)復(fù)矢量可表示為 2 電磁波反射與折射的基本定律第28頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五式中 2 電磁波反射與折射的基本定律第29頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)56分，星期五小 結(jié)1 邊界條件一、兩種不同介質(zhì)的分界面二、理想導(dǎo)體與