Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред

Рассмотрим простое падение плоской электромагнитной волны на границу раздела двух изотропных сред, характеризующихся параметрами Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru . Векторы напряженности электромагнитного поля такой волны зависят от времени и радиус-вектора:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

где Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― вектор рефракции, Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― показатель преломления среды, Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― задает направление распространения волны.

Граничные условия:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Полагаем, что поверхностная плотность зарядов и токов равны нулю, Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru относятся соответственно к первой и второй средам.

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Из этих соотношений и из соотношения Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru находим:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Так как векторные амплитуды Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru постоянны, то Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― линейное соотношение между экспоненциальными функциями, которые должны выполняться во всех точках границы раздела в любой промежуток времени. Но эти экспоненты с различными показателями линейно независимы. Значит, соотношение Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru будет выполняться только при:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Перепишем выражение Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru в виде:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Выражение Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru справедливо только в точках границы, то есть при условии

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Сравнивая Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и учитывая, что в пределах границы Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― произвольный вектор, запишем выражение

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ,

которое можно переписать в виде:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Умножая Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и учитывая, что

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru 1 Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

― это оператор проектирования на плоскость границы раздела. Видим, что Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru лежат в одной плоскости, перпендикулярной Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , а также имеют одну и ту же проекцию на границу раздела:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

При этом Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ( Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru (1 Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru) Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru )

Соотношения Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru позволяют записать геометрические законы отражения и преломления в форме:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Пусть Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― отражение и преломление

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Из Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru получим:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Введем понятие поверхностного импеданса Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru плоской волны, по определению связывающее векторы Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru :

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

В изотропной среде:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Учитывая, что Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , где Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

где Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― псевдообратный к оператору Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , то есть такой, что

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― обратного не существует

Из Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru находим:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Исключая отсюда Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , находим

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

где Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― тангенциальная составляющая

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Аналогично исключая Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru :

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Подставляя Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru в Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и учитывая, что Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , получим:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

где Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Для полных напряженностей поля, чтобы найти операторы Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , воспользуемся условием ортогональности:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Умножая Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru на собственный вектор Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и учитывая, что

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

с помощью Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru находим, что

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Учитывая, что Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru , из Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru находим:

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Окончательно формулы примут следующий вид

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru

Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru и Отражение и преломление плоских волн на границе раздела изотропных сред - student2.ru ― операторы отражения и пропускания для полных векторов.

Наши рекомендации