Polarizarea undelor electromagnetice. Polarizare eliptică

Ce este polarizarea circulară?

Polarizarea circulară este rotația vectorului negru E-intensitatea câmpului electric cu o frecvență de 4.000.000.000 de rotații pe secundă (pentru banda C).

Vectorul E de polarizare circulară poate fi reprezentat ca doi vectori ortogonali, H și V, a căror mărime se modifică constant pe măsură ce vectorul negru se rotește. Din figură se poate observa că dacă luăm unul dintre vectorii ortogonali în loc de un vector rotativ, atunci mărimea semnalului va fi la jumătate mai mare. Prin urmare, dacă un convertor liniar primește un semnal cu polarizare circulară, pierderea va fi de 3 dB. Prin urmare, pentru a primi întregul semnal, este necesar să convertiți polarizarea circulară în liniară, pentru aceasta se folosește un depolarizator. Un dielectric poate fi folosit ca depolarizator.

Dacă polarizatorul dielectric este situat la un unghi de 45 de grade, vectorii H și V la ieșirea depolarizatorului se adaugă într-o fază datorită întârzierii și accelerației componentelor H și V din dielectric. Astfel, mărimea vectorului E este de două ori mai mare decât vectorii V și H. În funcție de unghiul polarizatorului dielectric față de electrodul convertizorului, se va presupune polarizarea circulară de rotație la dreapta sau la stânga. Deoarece Un dielectric situat perpendicular sau longitudinal pe vectorii H și V nu îi afectează, apoi folosind un polarizator mecanic sau magnetic este posibil să se creeze un convertor care acceptă toate tipurile de polarizare. Un astfel de convertor va funcționa pe o antenă de satelit orientată fix către un satelit, care, de regulă, nu are sens, sau pe o antenă cu suspensie polară. Ghidul de undă al convertorului de pe o antenă cu suspensie polară se rotește în funcție de direcția antenei, iar unghiul de rotație al convertorului este determinat de designul mecanic al antenei. Acum, dacă trebuie să acceptați polarizarea circulară, atunci trebuie să instalați electrodul polarizator la un unghi de 45 de grade. la dielectric, iar dacă polarizare liniară, atunci paralel sau perpendicular pe dielectric.

Cu această aranjare a electrodului se va presupune polarizarea circulară.

HellasSat

Unghi: 39 est

Trupa: Ku

Frecvență: 11630 MHz

Polarizare: orizontală

Rata simbolului: 20.500 Msps

NSS 6

Unghi: 95 est

Trupa: Ku

Frecvență: 11017 MHz

Polarizare: verticală

Rata simbolului: 10.500 Msps

Express AM1 îngust

Unghi: 40 est

Trupa: Ku

Frecvență: 11656,75 MHz

Polarizare: verticală

Rata simbolului: 20.802 Msps

Express AM22

Unghi: 53 est

Trupa: Ku

Frecvență: 10974,4 MHz

Polarizare: verticală

Rata simbolului: 32.223 Msps

NSS 6

Unghi: 95 est

Trupa: Ku

Frecvență: 11017,4 MHz

Polarizare: verticală

Rata simbolului: 10.500 Msps

ABS1

Unghi: 75 est

Trupa: Ku

Frecvență: 12609 MHz

Polarizare: verticală

Rata simbolului: 22.000 Msps

HellasSat2

Unghi: 39 est

Trupa: Ku

Frecvență: 11512 MHz

Polarizare: orizontală

Rata simbolului: 30.000 Msps

Eutelsat W6

Unghi: 21,5 est

Trupa: Ku

Frecvență: 11435 MHz

Polarizare: orizontală

Rata simbolului: 28.782 Msps

Telstar 12

Unghi: 15 W

Trupa: Ku

Frecventa: 11000 MHz

Polarizare: verticală

Rata simbolului: 6.336 Msps

Yamal 200 90E

Lăsați în direcția axei OZ se propagă două unde electromagnetice. Intensitatea câmpului electric al unei unde oscilează în direcția axei OYîn lege EY(z, t)= Eozină (kz-wt), iar celălalt - în direcția axei BOUîn lege Ex(z, t)= Eocos (kz-wt).Faza oscilaţiilor undei cu un câmp electric orientat de-a lungul axei BOU, rămâne în urmă p/2 din faza altui val. Să aflăm natura oscilațiilor vectorului de tensiune al undei rezultate.

Puteți pur și simplu să vă asigurați că modulul undei rezultate nu se modifică în timp și este întotdeauna egal cu Eo. Tangenta unghiului dintre axe BOUși vectorul intensității câmpului electric în punct z egală
tgj===tg(kz-wt). (1)

Din (1) rezultă că unghiul dintre vectorul intensității câmpului electric al undei și axă OX-j- se modifica in timp conform legii j(t)=kz-greutate.Vectorul intensității câmpului electric se rotește uniform cu o viteză unghiulară egală cu w. Capătul vectorului intensității câmpului electric se deplasează de-a lungul unei spirale (vezi Figura 27). Dacă te uiți la modificarea vectorului de intensitate de la origine în direcția de propagare a undei, atunci rotația are loc în sensul acelor de ceasornic, adică. în direcția vectorului de inducție magnetică. O astfel de undă se numește polarizat circular drept.

O undă electromagnetică cu polarizare circulară, incidentă pe o substanță, transmite rotația electronilor substanței.

Rezultat: polarizat la dreapta o undă electromagnetică are un moment unghiular direcționat de-a lungul propagării undei, stângaci O undă electromagnetică are un moment unghiular îndreptat împotriva propagării undei. Acest rezultat va fi folosit în studiul fizicii cuantice.

Când se adaugă unde plane de polarizare liniară cu planuri orientate în unghi drept și cu o schimbare de fază arbitrară A, modificarea rezultată a vectorului de tensiune într-un punct dat z poate fi rotație cu schimbare periodică simultană a modulului. Capătul vectorului intensității câmpului electric al undei în acest caz se mișcă de-a lungul unei elipse. Polarizarea de acest tip se numește eliptică. Poate fi la stânga sau la dreapta. Figura 29 prezintă traiectoriile sfârșitului vectorului de putere a câmpului electric rezultat a două unde de aceeași amplitudine cu planuri orizontale și verticale de polarizare la diferite valori ale defazajului - de la 0 inainte de p. Când schimbarea de fază este egală cu zero, unda rezultată este polarizată în plan, planul de polarizare formând un unghi. p/4 cu un plan orizontal. Cu o schimbare de fază egală cu p/4, – polarizare eliptică, la p/2– polarizare circulară, la 3p/4– polarizare eliptică, cu p– polarizare liniară.

În cazul în care unda este o sumă de componente polarizate aleatoriu cu un set haotic de schimbări de fază, toate efectele de polarizare se pierd. Ei spun că unda electromagnetică în acest caz nu este polarizată.

Dacă un fascicul polarizat în plan incide pe un Polaroid și există un anumit unghi între planul principal al Polaroidului și planul de polarizare al fasciculului, atunci planul de polarizare al fasciculului care iese din Polaroid va fi rotit de către acelasi unghi. Strict vorbind, așa cum am văzut deja mai sus, este incorect în acest caz să vorbim despre o rotație a planului de polarizare. Doar proiecția pe o direcție dată a vibrației originale trece prin Polaroid. Cu cât unghiul este mai mare, cu atât amplitudinea vibrației transmise este mai mică (§ 35).

Cu așa-numitele substanțe active situația este complet diferită. În ele, planul de polarizare al fasciculului de întâlnire se rotește efectiv. Rotația este proporțională cu grosimea materialului trecut. Fasciculul emergent are aceeași amplitudine, dar un plan diferit de polarizare. Configurația de observare a fenomenelor de rotație a planului de polarizare este similară cu cea de observare a interferenței (Fig. 140): fie o bucată de substanță activă, fie un vas umplut cu un lichid activ este plasat între polaroid. Dacă plasăm substanța activă între polaroiduri încrucișate, atunci câmpul se luminează și, pentru a obține din nou întuneric, trebuie să rotim analizorul (sau polarizatorul) cu un anumit unghi. Evident, acest unghi este egal cu unghiul de rotație al planului de polarizare. Mărimea și direcția de rotație depind de substanță, de grosimea stratului de substanță și, de asemenea, de lungimea de undă a luminii.

Printre substanțele solide care sunt puternic rotative se numără zahărul și cuarțul; din lichide - acid tartric, urină și soluție de zahăr.

Substanțele active sunt împărțite în dreptaci și stângaci în funcție de sensul de rotație. De exemplu, cuarțul poate fi dreptaci sau stângaci și există acid tartric pentru dreptaci și stângaci.

Fenomenul de rotație a planului de polarizare este strâns legat de structura materiei. În substanțele organice, rotația se explică prin prezența unui atom de carbon asimetric, adică a unui atom de carbon în care toate cele patru valențe sunt saturate cu atomi diferiți. Schematic, sunt posibile două aranjamente semnificativ diferite, prezentate în Fig. 147; aici cercul înnegrit reprezintă atomul de carbon și atomii diferitelor elemente. Dacă diagrama din stânga corespunde unui sens de rotație, atunci cea din dreapta corespunde altuia, iar ambele diagrame înfățișează în mod evident aceeași substanță chimică. Pe lângă structura moleculelor în sine, locația lor joacă, de asemenea, un rol. Acest lucru se vede în mod clar din faptul că o bucată dintr-o substanță inactivă, de exemplu gelatina, atunci când este răsucită, capătă activitate de-a lungul axei de rotație. Planul de polarizare se rotește în direcția opusă direcției de răsucire.

Orez. 147. Atom de carbon asimetric.

Fenomenul de rotație a planului de polarizare este utilizat pentru a determina concentrația oricărei substanțe active într-o soluție. Deoarece mărimea unghiului de rotație este proporțională cu concentrația substanței active și cu grosimea stratului, este ușor să treceți de la unghiul de rotație măsurat la concentrație. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să cunoașteți valoarea capacității specifice de rotație pe unitatea de concentrație și unitatea de grosime.

Orez. 148, Biquartz (a), Diagrama unui zaharimetru (b).

Pentru a detecta cantități mici de substanțe, precum zahărul, în soluții, este necesar să existe un dispozitiv suficient de sensibil care să detecteze o rotație foarte mică a planului de polarizare. Circuitul de mai sus nu este potrivit pentru acest scop; Având în vedere acest lucru, proiectarea unui zaharimetru (un dispozitiv pentru determinarea concentrației de zahăr) este oarecum complicată. Pe lângă nicoli, se adaugă de obicei așa-numitul biquartz. Biquartzul este format din două plăci de cuarț, tăiate perpendicular pe axa optică (Fig. 148, a). O farfurie este dextrogirată, cealaltă

Orez. 149. Schema experimentului lui Umov.

stângaci. Grosimea plăcilor este aleasă astfel (3,75 mm) încât planul de polarizare al razelor galben-verde să se rotească cu 90°.

Prin urmare, cu ajutorul plăcilor dintre nicoli paralele, razele galben-verzui se sting și nu trec decât razele roșii și violete. Câmpul are apoi o culoare „sensibilă” albăstruie-violet și este împărțit în două părți. Cu cea mai mică rotire a polarizatorului sau analizorului, culoarea ambelor jumătăți ale biquartzului se schimbă dramatic. Dacă una dintre jumătăți este vopsită în albastru, atunci cealaltă este vopsită în roșu sau invers, în funcție de sensul de rotație. Într-un zaharimetru, biquartz B este plasat între vas și analizor (Fig. 148). După ce se setează analizorul la culoarea sensibilă a ambelor câmpuri de biquartz cu un vas gol S, turnați lichidul și întoarceți analizorul pentru a restabili aceeași culoare a ambelor câmpuri. După cum este indicat, rotația analizorului este egală cu rotația planului de polarizare. Valorile concentrației de zahăr sunt reprezentate grafic pe cadranul analizorului.

N.A.Umov a folosit fenomenul de rotație a planului de polarizare pentru a crea un experiment demonstrativ extrem de frumos (experimentul lui Umov). Într-o colecție dedicată memoriei lui Umov, A. A. Eikhenwald descrie această experiență după cum urmează:

„Folosind o mică oglindă plasată pe calea unui fascicul orizontal de lumină polarizată, o deviăm vertical în sus, astfel încât să poată trece de-a lungul axei acestui vas cilindric (Fig. 149).

Orez. 150. Traseul fasciculului elicoidal în experimentul lui Umov.

Mai întâi umplem vasul cu apă și îl tulburăm adăugând o cantitate mică de soluție de colofoniu în alcool. Imediat, traseul fasciculului este conturat pe întreaga înălțime a vasului sub forma unei coloane albe cu contururi ușor neclare. Numai datorită prezenței turbidității în apă putem vedea această cale a razelor (fenomenul lui Tyndall): într-adevăr, raza de lumină merge vertical în sus și, prin urmare, nu poate ajunge direct la ochiul nostru; dar fiecare particulă de turbiditate împrăștie lumina în toate direcțiile difuz și o parte din această lumină reflectată difuz intră în ochii noștri.

Cu toate acestea, acesta nu este tot: se dovedește că fiecare lumină care împrăștie particule polarizează lumina (§ 35) și, prin urmare, ne poate servi ca analizor. Să presupunem că raza noastră orizontală,

venind de la felinar, acesta oscileaza de-a lungul axei felinarului; în aceste condiții, traseul luminii în apă va fi vizibil atunci când este privit din dreapta și din stânga de-a lungul axei lanternei, dar nu va fi vizibil nici în față, nici în spate de-a lungul axei felinarului.

Dacă rotiți polarizatorul în orice unghi, atunci întreaga coloană cu părțile întunecate și luminoase se va întoarce, de asemenea, în același unghi.

Să înlocuim acum apa cu o soluție de zahăr, de asemenea ușor tulbure; apoi, pe măsură ce fasciculul de lumină intră din ce în ce mai adânc în soluția de zahăr, planul vibrațiilor sale se rotește, iar dacă la fundul vasului vibrațiile au avut loc de-a lungul axei felinarului, atunci la o anumită înălțime aceste vibrații vor fi într-o direcție diferită, într-un unghi față de axă. Această rotație a oscilațiilor crește în înălțime cu gradualitate uniformă și vedem că traseul fasciculului cu laturile sale luminoase și întunecate pare să se răsucească în soluția de zahăr într-o manieră elicoidală (Fig. 150).

Orez. 151. Descompunerea unei vibrații rectilinie în două vibrații circulare”

Dacă așezi o placă de cristal între polarizator și soluția de zahăr, întregul fenomen devine colorat: coloana de lumină se dovedește a fi înfășurată elicoidal cu panglici multicolore de diferite nuanțe.”

Fresnel a dezvoltat o teorie fenomenologică a rotației naturale a planului de polarizare, considerând-o ca o manifestare a unui fel de dublă refracție. În acest scop, Fresnel a descompus oscilația polarizată plană care pătrunde în mediul optic activ în două oscilații circulare în direcții opuse (Fig. 151). În fiecare moment de timp, vectorii rotativi ai oscilațiilor circulare formează unghiuri egale cu vectorul oscilațiilor cu polarizare plană. Să presupunem acum că ambele vibrații circulare se propagă în mediu cu viteze diferite. Apoi va apărea o diferență de fază suplimentară între ei și

egalitatea specificată a unghiurilor. Bisectoarea unghiului dintre vectorii oscilațiilor circulare va fi o nouă direcție corespunzătoare noului vector luminos rezultat. Astfel, va exista o rotație a vectorului luminos în direcția corespunzătoare direcției de rotație a vibrației circulare care se propagă mai rapid în mediu.

Teoria lui Fresnel nu luminează motivele diferenței de viteze a două oscilații circulare direcționate opus. La această întrebare se răspunde teoria moleculară a rotației planului de polarizare. În teoria moleculară, este necesar să se ia în considerare dimensiunile finite ale moleculelor, care afectează interferența undelor secundare care apar în părți individuale ale moleculei sub influența unei unde de lumină care trece.

În 1846, Faraday a publicat un articol cu titlul ciudat „Despre magnetizarea luminii și iluminarea liniilor magnetice de forță”. Faraday a înțeles natura neobișnuită a unui astfel de titlu și a făcut următoarea clarificare: „Titlul acestui articol, cred, i-a făcut pe mulți să neducă pe conținutul său și, prin urmare, consider că este de datoria mea să adaug o notă explicativă... Cred că în experimentele pe care le-am descris în acest articol, lumina a fost supusă acțiunii unei forțe magnetice, adică magnetismul în forțele materiei a fost acționat și, la rândul său, a acționat asupra magnetismului în forța luminii.” Era vorba despre descoperirea de către Faraday a unui nou efect de rotație a planului de polarizare a luminii care trece printr-un corp plasat într-un câmp magnetic longitudinal. Acest fenomen se numește efect Faraday.

Nota de mai sus a lui Faraday arată că, în ciuda titlului nefericit al articolului, el a înțeles că cauza efectelor observate nu a fost acțiunea directă a câmpului magnetic asupra luminii, ci o modificare a proprietăților optice ale substanței în magnetic. camp.

Până acum am discutat doar despre lumina polarizată plană. Totuși, conceptul de polarizare a luminii este mult mai general și acoperă o gamă mult mai mare de fenomene. Polarizat, vorbind în general, este un fascicul în care există o anumită ordine de vibrații. De exemplu, un fascicul de lumină, în fiecare punct al cărui vector electric se rotește uniform, se numește polarizat circular. Un fascicul de lumină în care capătul vectorului electric a descrie o elipsă se numește polarizat eliptic.

În natură, lumina polarizată eliptic este produsă atunci când lumina naturală este reflectată de un metal. Metalele încălzite emit lumină cu o anumită polarizare eliptică. De asemenea, este ușor să obțineți lumină polarizată eliptic din lumina polarizată plană. De fapt, l-am primit deja în schemele noastre ca stare intermediară, dar nu i-am acordat atenție. De fapt, când trece lumina

Printr-o placă de cristal în experimentele de interferență, din aceasta a ieșit un fascicul, constând din două oscilații reciproc perpendiculare, rămase una în urma celeilalte în fază. Când diferența de fază nu este egală cu zero sau cu un număr întreg, adăugarea unor astfel de oscilații dă, în general, mișcare de-a lungul unei elipse și, în cazul particular al axelor egale - de-a lungul unui cerc (vol. 1, § 59, 1959; în ediţia precedentă § 69). Astfel, un cristal de cuarț tăiat paralel cu axa optică și poziționat corespunzător poate transforma lumina polarizată plană în lumină polarizată circular. Cuarțul, tăiat perpendicular pe planul axei, rotește pur și simplu planul de polarizare cu un anumit unghi, așa cum este indicat mai sus. Analiza luminii polarizate eliptic constă în determinarea axelor elipsei, egale cu amplitudinile corespunzătoare, și a diferenței de fază a oscilațiilor constitutive. În acest scop, pe lângă analizoare, se folosesc compensatoarele menționate mai sus, care servesc la determinarea diferenței de fază. Lumina polarizată eliptic este cel mai comun tip de lumină polarizată; toate celelalte tipuri de polarizare sunt cazuri speciale de lumină polarizată eliptic, așa cum am indicat deja.

Definiția cea mai generală a luminii naturale este asociată cu polarizarea eliptică. S.I. Vavilov scrie: „Teoretic, lumina naturală poate fi realizată în nenumărate moduri, considerând-o fie ca rezultat al suprapunerii unor elipse similare cu axe distribuite haotic, fie ca suma a tuturor tipurilor de elipse orientate aleatoriu.”

O undă electromagnetică cu polarizare circulară, incidentă pe o substanță, transmite rotația electronilor substanței.

Sarcina 3. O undă electromagnetică plană cu polarizare circulară este incidentă în sensul acelor de ceasornic pe o placă metalică. Intensitatea câmpului electric al valurilor E0.
A) Arătați că electronii de conducere suferă mișcare de rotație sub influența unui câmp electric. Care este sensul de rotație?
b) Care este momentul unghiular transferat de undă către electron? Ce concluzie se poate trage despre prezența momentului unghiular al undei?

Soluţie. A) Presupunem că electronii de conducere nu sunt acționați de o forță de restabilire (sunt liberi), atunci ecuațiile mișcării electronilor în plan XOY va arata ca:
mex=-eEocos(kz-wt) Û ax=- cos(wt-a) (2)
meay=-eEo sin(kz-wt) Û ay=+ sin(wt-a). (3)
Modulul de accelerație este constant și egal cu
a= . (4)
Din expresia pentru tangentei unghiului de rotație a vectorului de accelerație (similar cu (1)) este clar că acesta se rotește cu o viteză unghiulară constantă w. Rotația cu direcția de propagare a undei este alcătuită dintr-un șurub drept (în sensul acelor de ceasornic). Rezultă că electronii se mișcă în cercuri de rază constantă cu viteză unghiulară w.Raza cercului se poate determina din relatia cinematica a=w2r, Unde
(5)
Momentul unghiular al electronilor L =eu v r=mewr2ținând cont de ecuația (5) -
(6)
Momentul unghiular al electronului este paralel cu direcția de propagare a undei.

Deoarece o undă electromagnetică se poate propaga independent de sursă, momentul unghiular dobândit de un electron atunci când interacționează cu o undă electromagnetică ar trebui să fie atribuit undei electromagnetice (presupunem că momentul unghiular este conservat).

Rezultat: o undă electromagnetică polarizată la dreapta are un moment unghiular direcționat de-a lungul propagării undei, o undă electromagnetică polarizată la stânga are un moment unghiular îndreptat împotriva propagării undei. Acest rezultat va fi folosit în studiul fizicii cuantice.

Momentul de impuls al unei unde electromagnetice cu vectorul intensității câmpului electric care se rotește în sensul acelor de ceasornic este orientat în direcția de propagare a undei. Acest tip de polarizare se numește polarizare circulară la dreapta. Dacă impulsul unghiular al unei unde electromagnetice este orientat opus direcției de propagare, atunci o astfel de undă se numește polarizat la stânga. Figura 28 prezintă ambele tipuri de polarizare. Crucea din centru marchează direcția de propagare a undei.

În cazul în care unda este o sumă de componente polarizate aleator cu un set haotic de schimbări de fază, toate efectele de polarizare se pierd. Ei spun că unda electromagnetică în acest caz este nepolarizată.

Polarizarea undelor electromagnetice.

Pentru undele electromagnetice care se propagă în orice mediu, există conceptul de polarizare. Polarizarea EMW este ordinea în orientarea vectorilor de intensitate a câmpului electric și magnetic într-un plan perpendicular pe vectorul viteză de propagare EMW. Există polarizări eliptice, circulare și liniare.

Natura polarizării este determinată de proiectarea și orientarea antenei de transmisie. În cazul polarizării liniare, vectorul E, schimbându-se periodic, rămâne perpendicular pe el însuși în timpul propagării. O antenă sub forma unui vibrator vertical emite o undă verticală polarizată liniar. Pentru o recepție fără pierderi, vibratorul antenei de recepție trebuie să fie și el orientat vertical

Pentru a crea o undă polarizată liniar orizontală, vibratoarele antenei de transmisie trebuie să fie poziționate orizontal. Cu toate acestea, pentru comunicațiile prin satelit, undele radio în procesul de propagare pătrund în ionosferă, situată în câmpul magnetic al Pământului. Ca urmare, planul de polarizare al unei unde polarizate liniar se rotește (efectul Faraday).

Ionosfera se dovedește a fi un mediu birefringent, iar o undă radio care se propagă prin ea este împărțită în două componente. Aceste componente se propagă în ionosferă cu viteze diferite de fază. Prin urmare, la trecerea unei anumite distanțe între ele, apare o schimbare de fază, care duce la o rotație a planului de polarizare. Ca urmare a unei nepotriviri între polarizarea undei care ajunge la punctul de recepție și polarizarea antenei de recepție, are loc o pierdere de energie - are loc decolorarea polarizării. Pentru a preveni decolorarea, este necesar să se utilizeze antene cu polarizare circulară, în care vectorul E se rotește cu frecvența undei radio, descriind o linie elicoidală în timpul propagării. În acest caz, valoarea vectorului E va rămâne constantă. Pe o cale egală cu lungimea de undă, vectorul E se rotește la 360 de grade.

Pentru a crea o antenă cu polarizare circulară, este necesar să existe două vibratoare de transmisie, deplasate în spațiu cu 90 de grade unul față de celălalt. Ele trebuie să fie alimentate de curenți de amplitudine egală cu o defazare de 90 de grade.

Undele radio cu polarizare circulară sunt emise, de exemplu, de o antenă turnichet. Recepția undelor polarizate circular este posibilă atât pe același tip de antene (turnichet, spirală), cât și pe vibratoare convenționale

În funcție de direcția de rotație a vectorului E, polarizarea circulară poate fi:

· stângaci;
dreptaci