Какая световая волна называется поляризованной. Суперпозиция двух линейно поляризованных волн
Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных (световых) волн распространяющихся в вакууме или изотропной среде: векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (то есть перпендикулярно световому лучу). Явление поляризации света служит надежным обоснованием поперечности световой волны. При рассмотрении поляризации обычно все рассуждения связывают с плоскостью колебаний вектора напряженности электрического поля Е - светового вектора , так как химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями. Однако при этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора напряженности магнитного поля Н .
Поляризация электромагнитной волны. Записывая решение для электрического поля плоской электромагнитной волны в виде
мы предполагали, что направление вектора амплитуды колебаний не зависит от времени. В этом случае вектор электрического поля всегда и во всех точках волны направлен вдоль одной и той же прямой - колеблется в одной плоскости неизменной ориентации в пространстве.
|
Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, то есть плоскость, содержащая вектор и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний. Если эта плоскость не меняет во времени своей ориентации, то волна называется - линейно (плоско) поляризованной . |
Выбирая ось х вдоль направления распространения волны, а ось у - вдоль векторной амплитуды , записываем (6.1) в виде
Однако существует и вторая линейно поляризованная волна, имеющая ту же частоту и распространяющаяся в том же направлении:
Электрические колебания в этой волне направлены вдоль оси z, так что волны (6.2) и (6.3) линейно независимы. Обе они являются решением одного и того же волнового уравнения, так что их суперпозиция также является решением того же уравнения. Сложив эти волны, мы найдем общее выражение для монохроматической волны с данной частотой w , распространяющейся вдоль оси х. Математически эта процедура ничем не отличается от сложения взаимно ортогональных колебаний. Если зафиксировать какую-то точку х и следить за изменением вектора электрического поля в ней, то конец вектора будет описывать эллиптическую , в общем случае, траекторию в плоскости, параллельной y0z. Вращение вектора происходит с частотой волны . В этом случае говорят, что свет имеет эллиптическую поляризацию . Если разность фаз кратна , то эллиптическая поляризация вырождается в линейную . При равенстве амплитуд Е 0,у и Е 0,г эллипс превращается в окружность. Тогда говорят о круговой поляризации волны. В соответствии с двумя возможными направлениями вращения вектора возможны право- и левополяризованные волны . Любую электромагнитную волну можно представить как линейную комбинацию двух линейно поляризованных волн или как линейную комбинацию двух волн с круговой поляризацией. Иными словами, электромагнитные волны имеют две внутренние степени свободы.
Естественный и поляризованный свет. В свете, испускаемом обычными источниками, имеются колебания, совершающиеся в различных направлениях, перпендикулярных к лучу. В таких световых волнах, исходящих из различных элементарных излучателей (атомов), векторы имеют различные ориентации, причем все эти ориентации равновероятны, что обусловлено большим числом атомных излучателей. Такой свет называется естественным , или неполяризованным .
Если под влиянием внешних воздействий на свет или внутренних особенностей источника света (лазер) появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным . Неполяризованный (естественный) свет может испускаться лишь огромным числом элементарных излучателей. Электромагнитная волна от отдельного элементарного излучателя (атома, молекулы) всегда поляризована. С помощью различных поляризаторов из пучка естественного света можно выделить часть, в которой колебания вектора будут происходить в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной лучу, то есть выделенный свет будет линейно поляризованным.
На рисунках направление колебаний электрического поля линейно поляризованной волны изображается следующим образом. Если вектор Е колеблется в плоскости чертежа, то на направление вектора скорости волны наносится ряд вертикальных стрелочек (рис. 6.1-1), а если в плоскости, перпендикулярной чертежу, - ряд точек (рис. 6.1-2). Естественный (неполяризованный) свет условно обозначается чередующимися черточками, которым соответствует, например, компонента Е y вектора напряженности электрического поля, и точками, соответствующими другой компоненте Е z (рис. 6.1-3).
Рис. 6.1. Условные обозначения типа поляризации волны
Существуют приборы (поляризаторы), пропускающие только колебания, происходящие параллельно некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризации прибора, и полностью задерживающие ортогональные колебания. Если пропустить через такой прибор пучок света, то на выходе он будет линейно поляризованным. При вращении прибора вокруг направления луча интенсивность выходящего света будет изменяться от I MAX до I MIN .
|
Степень поляризации света - это величина
|
Отметим, что формула (6.4) пригодна для расчета степени поляризации света лишь в том случае, когда частично поляризованный свет представляет собой смесь естественного света и света линейно поляризованного и не работает, например, в случае смеси естественного света и света поляризованного по кругу. В общем случае степень поляризации может быть рассчитана как отношение интенсивности поляризованной компоненты к суммарной интенсивности волны, то есть сумме интенсивностей поляризованной и естественной компонент смеси:
Нетрудно показать, что (6.4) есть частный случай последней формулы.
Если падающий пучок света линейно поляризован, то при положении прибора, когда его плоскость поляризации ортогональна плоскости колебаний волны, свет через прибор не пройдет, то есть . В соответствии с формулой (6.4) степень поляризации такого света . Для частично поляризованного света
и . Для естественного света, где волны разных поляризаций смешаны в равной степени и все направления эквивалентны, интенсивность выходящего света не изменяется при вращении поляризатора, так что и .
Закон Малюса. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е , например природные кристаллы турмалина. Монокристалл турмалина поглощает колебания вектора Е в одном направлении настолько сильно, что сквозь пластинку толщиной порядка 1 мм проходит только линейно поляризованный луч. Кристаллы йодистого хинина еще сильнее поглощают одну из поляризаций: кристаллическая пленка толщиной в десятую долю миллиметра практически полностью отделяет один из линейно поляризованных лучей.
Пусть естественный свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка 6.2.
Рис. 6.2. Разложение вектора амплитуды колебаний А в волне, падающей на поляризатор
Вектор амплитуды колебаний электрического поля волны, совершающихся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол , можно разложить на два колебания с амплитудами
Первое колебание с амплитудой А || пройдет через прибор (поляризатор), второе - с амплитудой А - будет задержано (поглощено). Интенсивность прошедшей волны пропорциональна квадрату амплитуды
Падающая волна является смесью волн с различными углами . Усредняя по углам, получаем для интенсивности света на выходе из поляризатора:
|
|
где - интенсивность падающего на поляризатор света. В естественном свете все значения угла равновероятны:
так что интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет равна . При вращении поляризатора вокруг направления луча естественного света интенсивность прошедшего света остается неизменной, но изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.
Рассмотрим теперь падение линейно поляризованного света с интенсивностью на тот же поляризатор (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Прохождение линейно поляризованной волны через поляризатор
Сквозь прибор пройдет составляющая колебаний с амплитудой
где - угол между плоскостью колебаний вектора Е и плоскостью поляризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I определяется выражением
|
|
которое носит название закона Малюса .
Поляризационные приборы по своему целевому назначению делятся на поляризаторы и анализаторы . Поляризаторы служат для получения поляризованного света. С помощью анализатора можно убедиться, что падающий свет поляризован, и выяснить направление плоскости поляризации. Принципиальных различий в конструкционном отношении между поляризатором и анализатором не существует.
Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых образуют угол (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Пропускание естественного света через систему из двух поляризаторов
Из первого поляризатора выйдет линейно поляризованный свет, интенсивность которого , составит половину интенсивности падающего естественного света . Согласно закону Малюса из второго поляризатора (который играет роль анализатора) выйдет свет с интенсивностью
Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна
|
|
Если угол (плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны), то ; если (анализатор и поляризатор скрещены), то .
Пример 1. В частично поляризованном свете амплитуда колебаний, соответствующая максимальной интенсивности света при прохождении через поляризатор, в n = 2 раза больше амплитуды, соответствующей минимальной интенсивности. Определим степень поляризации света.
Поскольку интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, имеем
Отсюда степень поляризации света равна
Пример 2. На пути света со степенью поляризации Р = 0.6 поставили анализатор так, что интенсивность прошедшего света стала максимальной. Определим, во сколько раз уменьшится интенсивность, если анализатор повернуть на угол ?
В падающем луче по условию (см. предыдущий пример)
При повороте анализатора на угол будут пропущены колебания, параллельные плоскости поляризации прибора. Поэтому интенсивность пропущенных колебаний, прежде бывших параллельными плоскости поляризации, составит
a интенсивность прошедших колебаний, до поворота задерживавшихся анализатором, равна
Суммарная интенсивность прошедших колебаний равна сумме
Стало быть, интенсивность уменьшится при повороте анализатора в 16/13 = 1.23 раза.
Поляризация при отражении и преломлении. Получить поляризованный свет из естественного можно еще одним способом - отражением. Опыт показывает, что отраженный от поверхности диэлектрика и преломленный лучи всегда частично поляризованы. Когда свет падает на диэлектрическую поверхность, то в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (точки на рис. 6.5), а в преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения (стрелки на рис. 6.5).
Рис. 6.5. Поляризация света при отражении и преломлении
Степень поляризации зависит от угла падения лучей и от относительного показателя преломления сред. Исследуя это явление, английский физик Д. Брюстер установил, что при определенном значении угла падения
удовлетворяющем условию
|
|
отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. Это соотношение известно как закон Брюстера. При
отражается только та компонента вектора напряженности электрического поля, которая параллельна поверхности диэлектрика (перпендикулярна плоскости падения). Соответственно, преломленный луч всегда частично поляризован, так как отражается лишь какая-то доля падающего света (не равная 50 %).
|
При падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, а преломленный луч частично поляризован с максимальной степенью поляризации. Для того чтобы объяснить, почему отраженный при падении под углом Брюстера луч линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, учтем, что отраженный свет есть результат излучения вторичных волн колеблющимися под действием светового вектора волны электрическими зарядами (электронами) в среде II . Эти колебания происходят в направлении колебаний вектора Е . Разложим колебания вектора Е в среде II на два взаимно перпендикулярных направления (см. рис. 6.6): колебания , происходящие в плоскости падения (показаны стрелками), и колебания , происходящие перпендикулярно плоскости падения (показаны точками). В случае падения под углом Брюстера отраженный луч 0В перпендикулярен преломленному лучу 0С. Следовательно, 0В параллелен . Из электромагнитной теории Максвелла известно, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому колеблющийся в диэлектрике излучатель типа вдоль направления 0В не излучает. Таким образом, по направлению отраженного луча 0В распространяется свет, посылаемый только излучателями типа , направления колебаний которых перпендикулярны плоскости падения. Следует отметить, что на опыте закон Брюстера не выполняется вполне строго из-за дисперсии света. Пример 3. Определим, на какой угловой высоте над горизонтом должно находиться Солнце, чтобы солнечный свет, отраженный от поверхности воды, был полностью поляризован.
|
Поляризация волн
Поляриза́ция волн - характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.
Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды , всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы - вращение вокруг волнового вектора.
Причиной возникновения поляризации волн может быть:
- несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
- анизотропность среды распространения волн;
- преломление и отражение на границе двух сред.
Основными являются два вида поляризации:
- линейная - колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости . В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне»;
- круговая - конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой .
На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например, эллиптическая .
Поляризация описывается Фигурами Лиссажу и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты.
Поляризация электромагнитных волн
Теория явления
Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например, поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например, по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.
Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса ). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита .
Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн .
По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.
Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света, прошедшего через поляризаторы, подчиняется закону Малюса . На этом принципе работают жидкокристаллические экраны .
, , , .Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:
.Если ввести вспомогательный угол , определяемый выражением (знак соответствует левой, а - правой поляризации ), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:
, , .На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса , , интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса . Углы и имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре [уточнить ] , поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре . В математике этой модели соответствует сфера Римана , в других разделах физики - сфера Блоха .
Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .
Практическое значение
Картинка справа сделана с использованием поляризационного фильтра
Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.
Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним. В наземных линиях используют антенны линейной поляризации - всегда можно выбрать заранее - горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн. Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации. Вообще, круговая поляризация - вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации - с левым или правым направлением вращения.
Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы.
Поляризация частиц
Аналогичный эффект наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином . Состояние отдельной частицы в этом случае, вообще говоря, не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности . Для частицы со спином ½ (скажем, электрона) это эрмитова матрица 2×2 со следом 1:
В общем случае она имеет вид
Здесь - вектор, составленный из матриц Паули , а - вектор среднего спина частицы. Величина
называется степенью поляризации частицы . Это вещественное число Значение соответствует полностью поляризованному пучку частиц, при этом
Поляризация волн
Свойство поперечных волн – поляризация.
Поляризованной волной
называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости.
Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.
Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором.
Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором.
Поляризация света
Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.
Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.
В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения световой волны. Такая волна называется естественной волной .
При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется.
У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости
, которая совпадает с осью
симметрии кристалла.
Поляризация света после прохождения турмалина
обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).
При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.
Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора:
Если второй кристалл начать поворачивать, т.е. смещать положение оси симметрии второго кристалла относительно первого, то луч будет постепенно гаснуть и погаснет совершенно, когда положение осей симметрии обоих кристаллов станет взаимно перпендикулярным.
Вывод:
Свет- это поперечная волна.
Применение поляризованного света:
Плавная регулировка освещенности с помощью двух поляроидов
- для гашения бликов при фотографировании (блики гасят, поместив междуисточником света и отражающей поверхностью поляроид)
Для устранения слепящего действия фар встречных машин.
Другие страницы по теме "Волновая оптика":
НЕОЖИДАННОЕ О ВЕЛИКИХ
В 1923 году потомок французской королевской семьи Луи де Бройль
написал диссертацию о двойственной природе света. Французская академия наук скептически отнеслась к работе автора, но из уважения к особе королевской крови решило пригласить одного-единственного эксперта в качестве третейского судьи. Решал судьбу Луи де Бройля Альберт Эйнштейн
. Эксперт дал положительный отзыв, и с тех пор мы знакомимся в учебниках физики с гипотезой Луи де Бройля.
___
В 1926 году известный ученый Эрвин Шредингер
в своей статье опубликовал основное уравнение волновой механики. И именно Шредингеру принадлежит гипотетический эксперимент, известный под названием «Кот Шредингера».
Он состоит в том, что в светонепроницаемом ящике заперта кошка, о которой не известно, жива она или мертва. На шее у кошки прикреплен динамит, который взорвется от первого же кванта света и кошку погубит. Таким образом узнать, жива ли кошка, невозможно
. А что об этой ситуации думаете Вы?
___
В США в штате Мэн в музее науки создан необычный экспонат. Экспонат представляет собой кусок шоссе длиной 40 миль. Вдоль шоссе расположены несколько объектов, самый большой из которых имеет радиус 15 метров. На въезде на это шоссе-экспонат стоит плакат, предлагающий всем, едущим по шоссе, придерживаться скорости 11 км/ч. Интересно, что этот экспонат символизирует модель Солнечной системы в масштабе 1: 93 000 000, а скорость 11км/час – скорость света в том же масштабе.
Угол отражения волны равен углу ее падения (рассматривается только для одинакового типа волн);
Законы отражения и преломления упругих волн
Для закрепления материала, произведем его повтор
а)
д)
Аналогично законам оптики законы отражения и преломления упругих волн формулируются следующим образом:
1 Отраженные и преломленные лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения;
3 Углы падения, отражения и преломления связаны соотношением, названным законом Снелиуса и формулируемым следующим образом. Отношение синусов углов падения, отражения и преломления к скоростям распространения упругих волн в соответствующих средах есть величина постоянная:
Зная скорость распространения ультразвуковых колебаний в призме и в контролируемом изделии, можно рассчитать значения углов падения или углов преломления.
Как уже было отмечено, направление смещения частиц в поперечной волне перпендикулярно направлению распространения волны. Эта особенность поперечной волны обусловливает возможность возникновения поляризации.
Поляризацией называется нарушение симметрии распределения смещений и скоростей в поперечных волнах относительно направления распространения.
Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). В неполяризованной поперечной волне колебания в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга так, что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным (рисунок 34), но при этом, еще раз отметим, каждое из колебаний, происходящих по всем направлениям, перпендикулярно направлению распространения, т.е. поперечная волна также обладает осевой симметрией.
Рисунок 34 – Распространение колебаний в неполяризованной поперечной волне
Поперечную волну называют поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным. Основными являются два вида поляризации: линейная – колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско поляризованной волне»; круговая – конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой. На основе этих двух формируются и другие, более сложные виды поляризации (например, эллиптическая) (рисунок 35).
Скорость поперечных волн, их затухание и некоторые другие свойства могут зависеть от поляризации.
Поляризация может возникнуть:
– при преломлении и отражении волн на границе раздела двух сред;
– из-за отсутствия симметрии в возбуждающем волну излучателе:
– при формировании волны в анизотропной среде.
Рисунок 35 – Поляризация поперечной волны
Для более лучшего понимания сущности поляризации можно привести для примера наглядную механическую модель рассматриваемого явления. Можно создать поперечную волну в резиновом жгуте так, чтобы колебания меняли свое направление в пространстве. Это аналог поперечной ультразвуковой волны. В резиновом жгуте можно возбудить поперечную волну, колебания в которой могут происходить как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Если жгут встряхнуть в вертикальной плоскости, то по жгуту побежит вертикально-поляризованная волна (рисунок 36); если жгут встряхнуть в горизонтальной плоскости, то по нему побежит горизонтально-поляризованная волна.
Рисунок 36 – Механическая модель получения поперечной волны
Пропустим теперь жгут через узкий деревянный ящик (рисунок 37), установленный вертикально. Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания только в одной вертикальной плоскости, которые параллельны щели в ящике. Т.о. в поляризованной волне существует какое-либо одно выделенное направление. Поэтому из экрана выходит поляризованная волна, в данном случае линейная верткально-поляризованная.
Если на пути поляризованной волны поставить точно еще один такой же ящик, но повернутый относительно первого на 90º, то колебания сквозь него не проходят. Волна целиком гасится.
Рисунок 37 – Механическая модель возникновения поляризации поперечной волны
Продольную волну погасить нельзя, колебания в ней совершаются вдоль направления распространения волны, и они будут проходить через щели ящиков беспрепятственно при их произвольной ориентации.
В частности, в линейно-поляризованной поперечной волне c t 2 , возникающей вследствие трансформации на границе раздела двух сред, частицы колеблются в плоскости падения (плоскости, перпендикулярной к границе раздела, проходящей через падающий луч с l и нормаль к границе раздела MN ) в направлении υ (рисунок 38).
Весьма важное значение для распространения и приема излучаемых
электромагнитных волн имеет их поляризация (франц. - polarisation; от греч. polos - ось, полюс). Как физическое явление поляризация - ориентация в пространстве электрического и магнитного векторов электромагнитной волны. Обычно поляризацию принято характеризовать ориентацией вектора напряженности электрического поля. Плоскость, в которой лежит этот вектор, называют плоскостью поляризации . Различают линейную (вертикальную и горизонтальную), эллиптическую и круговую поляризацию. В пределах поля тяжести Земли в каналах радиотехнических систем обычно используют вертикальную (вектор поля параллелен силе тяжести) или горизонтальную линейную поляризацию.
Можно достаточно условно объяснить процесс поляризации радиоволны по аналогии с механическими колебаниями натянутой и возбужденной музыкальной струны. Натянутая струна соответствующим возбуждением (отводом ее, например, пальцами) на одном конце приводится в колебательное состояние, представляющим собой механическую волну. Созданная волна распространяется вдоль струны и может быть зарегистрирована на другом ее конце. Такую механическую волну можно упрощенно представить как модель радиоволны (или световой волны), которая движется по пространству от источника электромагнитных колебаний к приемнику (регистратору). Натянутая струна может быть возбуждена по-разному: отклонение струны можно произвести или в вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о радиоволне, излучаемой антенной передающего устройства, то в первом случае можно говорить об аналоге вертикальной , а во втором случае - об аналоге горизонтальной поляризации волны.
Для обычного радиоприемника (стоящего после антенны) на другом конце линии связи это тонкое различие в свойствах потока электромагнитных колебаний не существенно. Приемник не реагирует на плоскость поляризации радиоволны, а регистрирует только ее мощность (в модели это степень отклонения струны); он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию. Однако имеются элементы, которые реагируют на поляризацию электромагнитных колебаний. Их называют поляризационными фильтрами . В случае со струной таким упрощенным аналогом фильтра может служить горизонтальная (для горизонтально колеблющейся струны) или вертикальная (для вертикально колеблющейся струны) прорезь в картоне, поставленном перед человеческим глазом перпендикулярно направлению распространения механической волны. Поляризационный фильтр, поставленный в заданном положении относительно направления распространения электромагнитной волны, становится радиопрозрачным лишь для определенного вида поляризации.
Если горизонтальная и вертикальная компоненты возбуждения волны появляются в определенной временной последовательности, то это приводит к круговой поляризации электромагнитных (или световых) волн. Излучение волн с круговой поляризацией может быть представлено в виде суммы двух волн с линейными поляризациями, ориентированными перпендикулярно друг к другу.
Использование волн с различной поляризацией позволяет передавать сигналы на близких частотах или одной частоте и эффективно разделять их при приеме. Управляя поляризатором дистанционно, можно выбирать сигналы, передаваемые с определенной поляризацией. В основном применяют поляризаторы двух типов: электромагнитные (ферритовые) и механические. Их электрические характеристики приблизительно одинаковы. Отсутствие в электромагнитном поляризаторе движущихся частей предполагает его большую надежность. В то же время механические поляризаторы обладают несколько более низким коэффициентом шума.
При распространении радиоволн вдоль земной поверхности возможно также их отражение от Земли. Аналогично тому, как световые волны отражаются от окружающих предметов, так и излученные радиоволны отражаются от поверхности Земли. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, в радиотехнике называют земными или поверхностными волнами (поверхностными лучами). Существенное влияние на распространение радиоволн различных диапазонов оказывает также земная атмосфера (от греч. atmos - пар и sphdira -- шар). Окружающую Землю атмосферу принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.
Тропосфера (от греч. tropos - поворот) представляет собой нижний слой атмосферы, простирающийся до высот 10...20 км. Тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам, которые определяются атмосферным давлением, температурой и влажностью и меняются при изменении метеоусловий. Кроме того, воздушные течения интенсивно перемешивают газы тропосферы, что приводит к созданию локальных неоднородностей. Все это существенно влияет на распространение радиоволн в тропосфере.
Слой атмосферы, лежащий выше тропосферы и располагающийся на высотах до 50 км, называют стратосферой (от лат. stratum - слой). Плотность газов в ней значительно меньше, чем в тропосфере. С точки зрения электрических свойств стратосфера является практически однородной средой, и волны распространяются в ней прямолинейно со скоростью света и без существенных потерь.
Над стратосферой (высота до 20 000 км) располагается ионосфера (от греч. ion - идущий) - верхние, ионизированные слои атмосферы, которые образуются под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей Солнца. В результате ионизации молекул воздуха возникают положительные ионы газа и свободные электроны. Чем больше концентрация свободных электронов, тем сильнее влияют они на распространение радиоволн.
Число свободных электронов, содержащихся в 1 м 3 воздуха атмосферы, называют концентрацией и обозначают N 3 , эл/м 3 . Концентрация электронов в различных слоях ионосферы меняется по высоте. На малых высотах от поверхности Земли она невелика, так как недостаточна энергия ионизации. На больших высотах концентрация свободных электронов невелика вследствие малой плотности газа в атмосфере. На высотах 300...400 км концентрация свободных электронов в ионосфере максимальна. Изменение плотности атмосферы с увеличением расстояния от Земли и сложная зависимость ее температуры от высоты приводят к тому, что в результате ионизации в ионосфере образуются четыре ярко выраженных слоя: D, E, F 1 и F 2 .
Ионосферный слой D расположен на высотах 60...90 км над поверхностью Земли. Слой представляет собой нерегулярное образование ионосферы и практически существует только в дневные часы, когда велика интенсивность солнечного ионизирующего излучения. На высотах 100... 120 км от поверхности Земли находится ионосферный слой Е (слой Кеннелли-Хевисайда). В зависимости от времени года и суток изменяется лишь концентрация свободных электронов в этом слое. Днем слой Е располагается несколько ниже, а ночью - значительно выше, что связано с изменениями уровня солнечного потока. Слои F 1 и F 2 ионосферы занимают области на высотах от 120 до 450 км от поверхности Земли. Обычно их рассматривают как один слой F, имеющий наибольшую концентрацию свободных электронов в ионосфере.
Рис 2.3 - Суточная концентрация электронов в слоях ионосферы
