Интерференция волн. Стоячие волны.

Если в некоторый области пространства распространяются одновременно несколько электромагнитных волн, то в области наложения в каждой точке векторы и волн геометрически складываются. В этом суть принципа суперпозиции в волновых процессах. В случае наложения когерентных волн (волн с одинаковыми частотами или с постоянной разностью фаз колебаний в каждой точке пространстве), наблюдается явление интерференции –устойчиво сохраняется перераспределение энергии волн между точками среды в области наложения с максимумами и минимумами энергии колебаний. Частным случаем интерференции является волновой процесс, называемый стоячей волной, который возникает при наложении встречных плоских волн с одинаковой частотой (как правило, волн - бегущей и отраженной). Стоячая волна образуется в ограниченной области пространства.

Если

- бегущая волна (10)

- отраженная волна (11)

то уравнение ее для вектора имеет вид

(12)

где - амплитуда стоячей волны,- ее фаза,- волновой вектор,- длина бегущей волны.

В точках, где (n=0,1,2,…) амплитуда в стоячей волне самая большая. Это ее пучности. В точках, где (n=0,1,2,….), амплитуда стоячей волны превращаются в нуль. Это узлы стоячей волны. Расстояние между соседними пучностями, как и между соседними узлами, равно .

Из уравнения (12) следует, что фаза колебаний от Х не зависит, соседние точки должны одновременно достигать максимального и минимального отклонений. Однако при переходе через узел фаза изменяется на противоположную, т.к. множитель 2Е₀coskx при переходе через нуль меняет свой знак.

Поляризованные волны

Волну, изображенную на рис.1, называют линейно или плоскополяризованной, т.к. направление (плоскость) колебания векторов и относительно вектора скорости в процессе распространения волны остается неизменными. Есть и другие, более сложные формы поляризации электромагнитной волны- эллиптическая (или круговая). В этом случае в процессе распространения в пространстве вектор и изменяет свое направление колебания относительно , но таким образом, что его конец описывает в пространстве эллипс (или окружность). В поляризованной волне всегда имеется какая-то определенная ориентация относительно направления распространения волны (осевая симметрия).

Однако, в реальных условиях могут быть реализованы и такие волны, где указанное выше положение нарушается- вектор в волне может иметь любые направления колебаний, причем, в одних направлениях он может иметь большую амплитуду, в других- меньшую. То есть могут быть неполяризованные волны. Такие волны могут возникнуть вследствие отсутствия осевой симметрии в излучателе, при преломлении и отражении волн на границах двух сред, при распространении волн в анизотропной среде.

Наличие или отсутствие поляризации можно проверить специальными устройствами- анализаторами. Для волн радиодиапазона (сантиметровых и миллиметровых радиоволн), например, в качестве анализатора может быть использована решетка с параллельными металлическими прутиками- поляризационнрешетка. Для электромагнитных волн оптического диапазона роль анализатора (поляризатора) выполняют естественные анизотропные кристаллы или пластинки, вырезанные из прозрачных для света анизотропных кристаллов.

Х Z

Y

Е_у

Е_х

Рис.3

Рассмотрим, что происходит при прохождении электромагнитных волн через поляризационную решетку (рис.3). Предположим, что волна сантиметрового диапазона, распространяющаяся вдоль оси Z, имеет Х и Y компоненты вектора . Какое действие оказывают на них проволочки при прохождении волны через решетку? Начнем сY-компоненты. Электрическое поле волны вызовет перемещение электронов в металле вдоль проволочек. За время, меньшее периода волны, электроны достигнут установившейся скорости. Поле волны совершит работу над электронами, передаст им часть своей энергии. В свою очередь электроны частично эту энергию передают при столкновениях с кристаллической решеткой проводника, которая перейдет в тепло. Это во-первых. Во-вторых, т.к. электроны, испытывая действие переменного электрического поля, совершают колебательные движения вдоль проволочек, то они являются элементарными излучателями вторичных электромагнитных волн. Большая часть энергии электронов излучается. Расчет показывает, что при сложении вторичной волны с падающей в положительном направлении оси Z. Эти волны взаимно погашают друг друга, т.е. волна электронов уничтожает падающую волну. В противоположном направлении (-Z), излучение, вызванное движением электронов вдоль оси Y, дает отраженную волну. Т.о., ограда из проволочек исключает - компоненту в прошедшей волне. А что происходит с Х- компонентой вектора? Электроны металла не могут свободно перемещаться вдоль этого направления из-за ограниченности размеров проволоки. Поэтому они не достигают определенной конечной скорости, как это было в случае движения вдольY, а образуют, поверхностный заряд вдоль поверхностей проволок, обращенных к осям + Х и – Х. Когда величина поля этого поверхностного заряда станет достаточной для компенсации внешнего поля внутри проводника, электроны проволок перестанут двигаться. Такое состояние достигается за время, меньшее периода колебаний падающей волны. То есть, в этом случае электроны находятся в статическом равновесии. Они не испускают и не поглощают энергию. Поэтому при прохождении через проволочную ограду Х- компонента изменяться не будет. Таким образом, поляризационная решетка обладает селективной (избирательной) пропускной способностью для волн с различным направлением колебаний вектора.