a fale świetlne Powtórzenie; operatory róŝniczkowe Wektorowe równanie falowe (3D) Fale wyraŝone przez zespolone amplitudy r r r 2 r r r r E E E 1 E

Podobne dokumenty
podsumowanie (E) E l Eds 0 V jds

PRĄD ELEKTRYCZNY I SIŁA MAGNETYCZNA

Jak policzyć pole magnetyczne? Istnieją dwie metody wyznaczenia pola magnetycznego: prawo Biot Savarta i prawo Ampera.

Wstęp. Prawa zostały znalezione doświadczalnie. Zrozumienie faktu nastąpiło dopiero pod koniec XIX wieku.

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI. W roku 1820 Oersted zaobserwował oddziaływanie przewodnika, w którym płynął

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Prawo Gaussa. Potencjał elektryczny.

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

MECHANIKA OGÓLNA (II)

Magnetyzm. A. Sieradzki IF PWr. Pole magnetyczne ŁADUNEK ELEKTRYCZNY ŁADUNEK MAGNETYCZNY POLE ELEKTRYCZNE POLE MAGNETYCZNE

OSERWACJE POLA MAGNETYCZNEGO Pole magnetyczne wytwozone jest np. pzez magnes stały......a zauważyć je można np. obsewując zachowanie się opiłków żelaz

ZJAWISKA ELEKTROMAGNETYCZNE

Elektrostatyka. + (proton) - (elektron)

Zjawisko indukcji. Magnetyzm materii.

Pole magnetyczne. 5.1 Oddziaływanie pola magnetycznego na ładunki. przewodniki z prądem Podstawowe zjawiska magnetyczne

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Grzegorz Kornaś. Powtórka z fizyki

Atom wodoru w mechanice kwantowej

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO

Opis kwantowy cząsteczki jest bardziej skomplikowany niż atomu. Hamiltonian przy zaniedbaniu oddziaływań związanych ze spinem ma następującą postać:

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO

Wykład 10. Reinhard Kulessa 1

Źródła pola magnetycznego

Wykład Półprzewodniki

Ramowy plan wykładu studia dzienne

Wykład: praca siły, pojęcie energii potencjalnej. Zasada zachowania energii.

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

magnetyzm ver

Równanie Schrödingera dla elektronu w atomie wodoru

Jądra atomowe jako obiekty kwantowe. Wprowadzenie Potencjał jądrowy Spin i moment magnetyczny Stany energetyczne nukleonów w jądrze Prawo rozpadu

WYKŁAD 1. W przypadku zbiornika zawierającego gaz, stan układu jako całości jest opisany przez: temperaturę, ciśnienie i objętość.

Na skutek takiego przemieszcznia ładunku, energia potencjalna układu pole-ładunek zmienia się o:

Elektrostatyka. A. Sieradzki IF PWr. Ogień Świętego Elma

23 PRĄD STAŁY. CZĘŚĆ 2

Badanie właściwości magnetyczne ciał stałych

Wykład Pojemność elektryczna. 7.1 Pole nieskończonej naładowanej warstwy. σ-ładunek powierzchniowy. S 2 E 2 E 1 y. ds 1.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Oddziaływania fundamentalne

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

Zastosowanie zasad dynamiki Newtona.

1. Prawo Ampera i jego uzupełnienie przez Maxwella

00502 Podstawy kinematyki D Część 2 Iloczyn wektorowy i skalarny. Wektorowy opis ruchu. Względność ruchu. Prędkość w ruchu prostoliniowym.

KURS GEOMETRIA ANALITYCZNA

Guma Guma. Szkło Guma

1. Ciało sztywne, na które nie działa moment siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym.

Fale elektromagnetyczne

Moment pędu fali elektromagnetycznej

WPROWADZENIE. Czym jest fizyka?

magnetyzm cd. ver

dr inż. Zbigniew Szklarski

Filtracja przestrzenna dźwięku, Beamforming

Karta wybranych wzorów i stałych fizycznych

E4. BADANIE POLA ELEKTRYCZNEGO W POBLIŻU NAŁADOWANYCH PRZEWODNIKÓW

= ± Ne N - liczba całkowita.

Pole magnetyczne prąd elektryczny

XIX. PRAWO COULOMBA Prawo Coulomba

Pole grawitacyjne. Definicje. Rodzaje pól. Rodzaje pól... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek.

Atom (cząsteczka niepolarna) w polu elektrycznym

Badanie siły elektromotorycznej Faraday a

Podstawy fizyki subatomowej

GRAWITACJA. przyciągają się wzajemnie siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich odległości r.

BRYŁA SZTYWNA. Umowy. Aby uprościć rozważania w tym dziale będziemy przyjmować następujące umowy:

dr inż. Zbigniew Szklarski

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

- substancje zawierające swobodne nośniki ładunku elektrycznego:

Zadanie 1. Zadanie 2. Sprawdzam dla objętości, że z obwarzanków mogę posklejać całą kulę o promieniu R: r = {x, y, z}; A = * Cross r, B

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

Lista zadań nr 1 - Wektory

Plan wykładu. Rodzaje pól

Przygotowanie do Egzaminu Potwierdzającego Kwalifikacje Zawodowe

Wykład FIZYKA I. 8. Grawitacja. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

II.6. Wahadło proste.

XXXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

Część I Pole elektryczne

Zasady dynamiki ruchu obrotowego

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

Siła tarcia. Tarcie jest zawsze przeciwnie skierowane do kierunku ruchu (do prędkości). R. D. Knight, Physics for scientists and engineers

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

SK-7 Wprowadzenie do metody wektorów przestrzennych SK-8 Wektorowy model silnika indukcyjnego, klatkowego

8. PŁASKIE ZAGADNIENIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

Teoria Względności. Czarne Dziury

Wykład 5: Dynamika. dr inż. Zbigniew Szklarski

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

LITERATURA Resnick R., Holliday O., Acosta V., Cowan C. L., Graham B. J., Wróblewski A. K., Zakrzewski J. A., Kleszczewski Z., Zastawny A.

Ruch obrotowy. Wykład 6. Wrocław University of Technology

Modelowanie przepływu cieczy przez ośrodki porowate Wykład III

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Wzbudzenia sieci fonony

Wykład 15. Reinhard Kulessa 1

Cieplne Maszyny Przepływowe. Temat 8 Ogólny opis konstrukcji promieniowych maszyn wirnikowych. Część I Podstawy teorii Cieplnych Maszyn Przepływowych.

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

ε = dw dq. (25.1) Rys Obwód o jednym oczku

θ = s r, gdzie s oznacza długość łuku okręgu o promieniu r odpowiadającą kątowi 2. Rys Obrót ciała wokół osi z

A r A r. r = , 2. + r r + r sr. Interferencja. Dwa źródła punktowe: Dla : Dla dużych 1,r2. błąd: 3D. W wyniku interferencji:

Transkrypt:

Równania Mawella a fale świetlne Wykład 3 Fale wyaŝone pzez zespolone amplitudy wektoowe Pola zespolone, a więc i ich amplitudy są teaz wektoami: % % Równania Mawella Wypowadzenie ównania falowego z ównań Mawella Dlaczego fale świetlne w póŝni (powietzu) są falami popzecznymi Gęstość enegii fali świetlnej Wekto Poyntinga Iadiancja (natęŝenie światła) Iadiancja supepozycji fal świetlnych Skąd się bieze światło? Wielkości częstości oscylacji atomowych i cząsteczkowych Zadania (, t) ep i ( k ωt) % % Zespolone amplitudy zapisane są więc pzy pomocy aŝ sześciu liczb, któe tzeba znać, by te amplitudy w pełni okeślić!!! składowa składowa y składowa z (Re{ } + i Im{ }, Re{ y} + i Im{ y}, Re{ z} + i Im{ z}) % Wektoowe ównanie falowe (3D) posiada ozwiązanie w postaci: lub: µε v + + µε y z v u u t A i k t % (, ) ep ( ω θ ) u (, t ) ep i ( k ωt ) % % zespolona amplituda Teaz mamy stzałkę nad. Są to tzy niezaleŝne ównania falowe; kaŝde z nich dotyczy składowych, y, i z wektoa. Powtózenie; opeatoy óŝniczkowe RóŜniczkowy opeato wektoowy nabla : Gadient funkcji skalanej f :,, y z f,, y z - jest wektoem, wskazuje kieunek, w jakim wzost funkcji f jest największy. Dywegencja opeato óŝniczkowy, któy funkcji wektoowej pzypisuje wielkość skalaną z y z y f + +

Powtózenie; opeatoy óŝniczkowe Laplacian funkcji skalanej: y z f f,, f f f + + y z Laplacian funkcji wektoowej: (działa na kaŝdą ze składowych funkcji wektoowej) f f f y z y z y z f f f y y y fz f z fz f + +, + +, + + Laplacian mówi nam o zakzywieniu funkcji wektoowej Równania Mawell a Podstawowe ównania elektomagnetyzmu i optyki. Opisują własności pola elektycznego i magnetycznego oaz zaleŝności między tymi polami. W póŝni (w powietzu): - natęŝenie pola elektycznego, [ V / m ], - indukcja magnetyczna, [T Vs /m ], ε - pzenikalność elektyczna póŝni, µ - pzenikalność magnetyczna, - opeato dywegencji, [/m], - opeato otacji, [/m]. H H H H Z ównań Mawella moŝna wypowadzić ównanie falowe fali M. Powtózenie; opeatoy óŝniczkowe Rotacja The Culfunkcji of a vecto wektoowej function f : z y f z y f,, y dz z d dy Rotacja The cul moŝe can be być teat zapisana ed as a mati pzy pomocy deteminant wyznacznika: : ) ) ) y z f y z f f y fz Functions that tend to cul a ound have lage culs Wypowadzenie ównania falowego z ównań Mawella Weźmy : (RM) t [ ] [ ] t Zmieńmy kolejność óŝniczkowania zgodnie z egułą RHS: [ ] [ ] Podstawiając za: µε (RM) mamy: [ ] [ µε ], lub: t t [ ] µε µ i ε są stałe w czasie: 3 4

Wypowadzenie ównania falowego z ównań Mawella Skozystamy teaz z lematu (do wykazania w domu): [ f ] ( f ) f [ ] µε ( ) µε. Wówczas: PoniewaŜ nigdzie nie mamy Ŝadnej gęstości ładunku (póŝnia), ρ, (RM) otzymaliśmy ównanie falowe, o ile: : µ ε v µε Fala elektomagnetyczna popaguje się w póŝni z pędkością v c: Skąd wiadomo, że fala elektomagnetyczna w póŝni jest falą popzeczną? Równania opisujące falę hamoniczną: v k ω µ ε k ω k k są ozwiązaniami ównań Mawella o ile: ω k c RLACJA DYSPRSJI Zdjęcie w czasie t: Wektoy,, k twozą układ pawoskętny. v ( ) k k Skąd wiadomo, że fala elektomagnetyczna w póŝni jest falą popzeczną? Równania opisujące falę hamoniczną: v k ω µ ε k ω k k są ozwiązaniami ównań Mawella o ile: ω k c RLACJA DYSPRSJI Równania Mawella poddane tansfomacie Fouiea zgodnie z egułą: Wielkość pola magnetycznego fali świetlnej Niech fala ozchodzi się wzdłuŝ osi i jej pole elektyczne skieowane jest wzdłuŝ osi y. Statujemy with: z: We Całkujemy: can integate: Otzymujemy: z y y z (, t) z (,) dt Pzyjmijmy z (,) i y (, t) ep i ( k ωt ) % t ik z (, t) ep i( k t) iω % PoniewaŜ ω / k c: [ ω ] z (, t) y (, t) c Całkowanie y wzgledem daje ik, a całkowanie względem t daje /-iω. 5 6

Siła działająca na ładunek w polu fali świetlnej Siła Loentza działajaca na ładunek q: Poównajmy obie siły; ich stosunek wynosi: Ponieważ /c: F q + q v F F magnetic electical F F magnetic electical F electical qv q v c magnetic gdzie v jest pędkością ładunku Tak więc tak długo, jak pędkość ładunku jest duŝo mniejsza niŝ pędkość światła, część magnetyczna siły Loentza jest duŝo mniejsza niŝ część elektyczna i moŝna ją zaniedbać. F v v sinθ v Gęstość enegii fali świetlnej (Gęstość enegii pola: enegia pola w jednostce objętości) Gęstość enegii pola elektycznego: U ε Gęstość enegii pola magnetycznego: U µ Dla fali: /c, i Mamy więc:, a więc: ( ε εµ µ ) ε µ εµ ε µ U ε U Całkowita gęstość enegii: U U + U ε Tak więc gęstość enegii pola elektycznego i magnetycznego fali świetlnej są ówne. Gęstość enegii fali świetlnej (Gęstość enegii pola: enegia pola w jednostce objętości) Gęstość enegii pola elektycznego: U ε Gęstość enegii pola magnetycznego: U µ Dla fali: /c, i, a więc: εµ Wekto Poyntinga: - stumień enegii pzenoszonej pzez wiązkę światła (moc pzepływająca pzez jednostkę powiezchni) [ ] U gęstość enegii pola c t A Mamy więc: Całkowita gęstość enegii: ( εµ ) ε µ U U U U + U ε Tak więc gęstość enegii pola elektycznego i magnetycznego fali świetlnej są ówne. W poszukiwaniu wielkości, któe dają się zmiezyć, czy teŝ tych, na któe eaguje nasze oko gęstość stumienia enegii gęstość enegii pędkość jej tanspotu negia pzepływająca pzez powiezchnię A w czasie t: U V U A c t negia pzepływająca w jednostkowym czasie pzez jednostkę powiezchni: U V / ( A t ) U c c ε c ε W poszukiwaniu wielkości, któe dają się zmiezyć, czy teŝ tych, na któe eaguje nasze oko 7 8

Wekto Poyntinga: S c ε Podstawiając: (,t) cos[(k ω t ) θ ] i H(,t) H cos[(k ω t ) θ ] do wyażenia na wekto Poyntinga: S(, t) c ε cos ( k ω t θ ) I(, t) S(, t) (/ ) Śednia z cos jest ówna /: wielkość szybkozmienna w czasie! c ε Iadiancja natężenie Ponieważ pola elektyczne i magnetyczne fali są wzajemnie postopadłe, oaz / c, oaz k, w kieunku popagacji iadiancja I (natężenie) fali wyaża się: I < S > t cε [W/m ] czyli: I ~ gdzie: cja (lub niepawidłowo, choć często używane: natężenie) wiązki światła % % % % % % % * * * + y y + z z Pamiętajmy: ozwaŝania nasze są popawne dla fali hamonicznej ozchodzącej się w póŝni. Falę opisaliśmy: (, t) Re ep i ( k ω t ) % Iadiancja natężenie śedni stumień enegii Podstawiając: (,t) cos[(k ω t ) θ ] i H(,t) H cos[(k ω t ) θ ] do wyażenia na wekto Poyntinga: S(, t) c ε cos ( k ω t θ ) I(, t) S(, t) (/ ) Śednia z cos jest ówna /: cja (lub niepawidłowo, choć często używane: natężenie) wiązki światła c ε Iadiancja natężenie cja (lub niepawidłowo, choć często używane: natężenie) wiązki światła I < S > t cε S (na pow. Ziemi) 4 W/m [W/m ] laseem osiągalne S W/m 9 V/m pola wewnątz atomów? Zwieciadło Achimedesa 9

Podsumowanie: v k ω µ ε k ω k k c Wektoy i są wzajemnie postopadłe. Wektoy i dgają w zgodnej fazie. k W póŝni (w ośodku izotopowym) fala elektomagnetyczna tanspotuje enegię postopadle do swojego czoła. Fala elektomagnetyczna w póŝni (powietzu) ozchodzi się z pędkością c ε µ Iadiancja sumy dwóch fal: Jeśli obie są popocjonalne do: ep i( k ω t), iadiancja wynosi: * * * * I cε cε + y y + z z % % % % % % % % + % % % Dla óŝnych polayzacji: (np. w kieunku i y): * * I cε + y y I + I y % % % % natęŝenia dodają się Dla takich samych polayzacji np. w kieunku : + % % % * * * I cε + Re{ } + % % % % % % { } I I + cε Re + I % % * Tak więc: Wyaz kzyŝowy! WyaŜenie kzyŝowe związane jest z intefeencją! Sumowanie pól: elektomagnetyzm jest teoią liniową, zasada supepozycji obowiązuje. Zadanie: Jeśli (,t) and (,t) są ozwiązaniami ównania falowego, wówczas ( + ) (,t) + (,t) jest teŝ jego ( + ) ozwiązaniem. + + t t t Oznacza to, Ŝe wiązki światła mogą pzechodzić jedna ( + ) ( + ) pzez dugą. + c t c t c t Oznacza to ównieŝ, Ŝe mogą one konstuktywnie lub destuktywnie intefeować: Zapisz pole i płaskiej fali monochomatycznej o częstotliwości ω, któa pousza się: a) w kieunku ujemnym osi i jest spolayzowana * w kieunku osi z, b) pousza się w kieunku wyznaczonym pzez początek układu współzędnych i punkt (,,) i jest spolayzowana* ównolegle do płaszczyzny z. *) Fala elektomagnetyczna jest spolayzowana w danym kieunku (lub w danej płaszczyźnie) gdy jej wekto elektyczny oscyluje zgodnie z tym kieunkiem (lub w tej płaszczyźnie).

Równania Mawella Widzieliśmy, Ŝe w pustej pzestzeni ównania Mawella (ównanie falowe) opisuje popagację światła. Równania Mawell a Podstawowe ównania elektomagnetyzmu i optyki. Opisują własności pola elektycznego i magnetycznego oaz zaleŝności między tymi polami. W ośodkach liniowych: H H H H Ale skąd się pochodzi światło, co jest jego piewotnym źódłem? Musi nim być mateia. - natęŝenie pola elektycznego, [ V / m ], - indukcja magnetyczna, [ T Vs /m ], - indukcja elektyczna, [ C / m ] - natęŝenie pola magnetycznego, [ A / m ] ε - pzenikalność elektyczna ośodka (względna), µ - pzenikalność magnetyczna ośodka (względna), - gęstość pądu, [A/m ], ρ - gęstość ładunku, [ C / m 3 ] - opeato dywegencji, [/m], - opeato otacji, [/m]. D ε + P Równania Mawell a Podstawowe ównania elektomagnetyzmu i optyki. Opisują własności pola elektycznego i magnetycznego oaz zaleŝności między tymi polami. W ośodkach liniowych: sfomułowanie makoskopowe - natęŝenie pola elektycznego, [ V / m ], - indukcja magnetyczna, [T Vs /m ], - indukcja elektyczna, [ C / m ] - natęŝenie pola magnetycznego, [ A / m ] D ε - pzenikalność elektyczna ośodka, (wzgledna) µ - pzenikalność magnetyczna ośodka, (wzgledna) - gęstość pądu swobodnego, [A/m ], ρ - gęstość ładunku swobodnego, [ C / m 3 ] - opeato dywegencji, [/m], - opeato otacji, [/m]. ε + P Źódła światła Liniowo pzyspieszane ładunki pzyspieszane ładunki niezwiazane Pomeniowanie synchotonowe - pomieniowanie emitowane pzez naładowane cząstki pzyspieszane po kzywoliniowych toach np.. w polu magnetycznym Pomieniowanie hamowania (niem. emsstahlung) - pomieniowanie powstające podczas hamowania cząstki obdazonej ładunkiem elektycznym (np. w takcie hamowania w zdezeniu z inną czastką naładowaną). 3 4

Źódła światła: polayzacja Ośodek spolayzowany: Rzędy wielkości częstości oscylacji atomowych i cząsteczkowych: Gdy dgania ładunków (elektonów) są skoelowane, ośodek jest spolayzowany. Polayzacja ośodka moŝe się zmieniać hamonicznie w czasie. t P µ ε µ + t Indukowana polayzacja ośodka jest zawata w ównaniach Mawell a (pzyjęto, Ŝe µ ): Oscylacje elektonów wynikające z ich uchu wokół jade atomowych: DuŜa częstość: ~ 4-7 cykli na sekundę. Oscylacje jąde cząsteczek względem siebie: Pośednie częstości: ~ - 3 cykli na sekundę. Rotacja jąde cząsteczek: Niskie częstości: ~ 9 - cykli na sekundę. negiom związanym z oscylacjami pzypisać moŝna poziomy enegetyczne Równania Mawell a w ośodku mateialnym Indukowana polayzacja P ośodka i jest zawata w ównaniach Mawell a (pzyjęto, Ŝe µ ): t P µ ε +µ Ten dodatkowy czynnik dodaje się do ównania falowego, któe zwane jest jako niejednoodne ównanie falowe: P µ Nq z c t Polayzacja jest członem q źódłowym i mówi nam o tym, jakie światło zostanie wyemitowane. ZauwaŜmy, Ŝe indukowana Polayzacja, a więc wychylenie ładunku ( q t ), jest dwukotnie óŝniczkowane. q / jest pzyspieszeniem ładunku! Tak więc to pzyspieszane ładunki (elektony) ośodka są źódłami światła. Oscylacje atomowe i cząsteczkowe obazu klasycznego odpowiadają pzejściom między poziomami enegetycznymi w opisie kwantowym. Atom oscylujący z czestością ν. negia hν Stan wzbudzony Stan podstawowy Atom oscylujący między stanem wzbudzonym i podstawowym. 5 6

Wzbudzone atomy spontanicznie emitują fotony. Kiedy atom waca do stanu o niŝszym poziomie enegii, emituje foton. Stan wzbudzony negia Stan podstawowy Cząsteczki na ogół pozostają dłuŝej wzbudzone (τ ~ kilka nsek). misja fotonu: fluoescencja lub, dla dłuŝszych czasów Ŝycia: fosfoescencja. Cząsteczki posiadają znacznie badziej zóŝnicowane poziomy enegetyczne niŝ atomy. Pzykład poziomów enegetycznych cząsteczki: gi wzbudzony stan elektonowy el + vib + ot szy wzbudzony stan elektonowy negia Wzbudzony poziom otacyjno-oscyalcyjny Podstawowy stan elektonowy Pzejście między stanami elektonowymi Tak więc cząsteczki mają zwykle dość złoŝone widma. Dodatkowo widmo komplikuje się wskutek spzęŝenia spin-obita, obecności spinu jądowego etc. 7