Распространение плоских волн в гиротропных средах

1. Тема 3. ПЛОСКИЕ ЭМВ В НЕОГРАНИЧЕННЫХ СРЕДАХ Лекция №7. Распространение плоских волн в гиротропных средах

1. Физические явления, возникающие в ферритах при
наличии подмагничивания. Резонансное поглощение
2. Особенности распространения ЭМВ в продольно
намагниченном феррите.
3. Особенности распространения ЭМВ в поперечно
намагниченном феррите.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

2. 1 Физические явления, возникающие в ферритах при наличии подмагничивания. Резонансное поглощение

Ферриты, относящиеся к классу ферримагнетиков, представляют
собой соединения оксида железа с оксидами других металлов и
обладают высоким большим (до 107 108 Ом м) электрическим
сопротивлением.
Электродинамические свойства ферритов зависят от частоты, но
изменяются в различных пределах.
В диапазоне СВЧ на сантиметровых волнах величина
относительной магнитной проницаемости приближенно равна
единице.
Рабочий диапазон частот ферритов - от 20МГц до 150ГГц. Для
работы на разных частотах используются различные материалы.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

3.

В ненамагниченном состоянии ферриты - обычный диэлектрик.
При воздействии постоянного магнитного поля возникает
прецессия вокруг исходного положения оси вращения
электрона.
Частота прецессии (частота гиромагнитного резонанса) м
зависит от
- величины постоянного магнитного поля H ;
- гиромагнитного отношения 2.21 105 [Гц/(А м)],
связывающего заряд и массу электрона:
м H
и соответствует угловой скорости вращения электрона.
При воздействии еще и переменного высокочастотного поля
H H 0 exp(i t )
ось вращения электрона будет отклоняться, если переменное
магнитное поле будет действовать перпендикулярно оси вращения.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

4.

Без подмагничивания
Воздействие
постоянного
магнитного поля
H
Обычный
диэлектрик
Воздействие постоянного магнитного
поля H и переменного
высокочастотного поля
H ~ H0 exp(i t )
Гиромагнитный
Ферромагнитный резонанс
резонанс на частоте Условие:
м
Условие:
м = угловая
скорость вращения
электрона
Электродинамика и
РРВ.Сем.1. Лекция 7.
= м = угловая скорость
вращения электрона
Энергия, подводимая от
высокочастотного магнитного поля,
рассеивается в виде тепла в
кристаллической решетке феррита, т.е.
поглощается. Система как резонансный
контур в теории цепей.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

5.

Математическое описание явлений в феррите отражается в
тензорной записи магнитной проницаемости:
x
ia
0
где
м 0
x 0 1 2
м2
,
ia
x
0
0
0
0
м 0
a 0 2
,
2
м
0 0 м H 0 ( 1) H ,
м - магнитная восприимчивость среды.
Ферромагнитный резонанс возникает, когда м (в нуль
обращается знаменатель).
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

6.

2 Особенности распространения ЭМВ
в продольно намагниченном феррите
H izH
В рассматриваемом случае / x / y 0 , Ez 0 , H z 0
Уравнения Максвелла принимают вид:
H y
z
E y
z
i E x
i x H x iaH y
H x
i E y
z
E x
i x H y iaH x
z
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

7.

Решение уравнений Максвелла:
- волновое число
k1, 2 x a ;
- волновое сопротивление среды Z1,2
x a
.
Индекс «1» соответствует волне круговой поляризации с левым
направлением вращения, индекс «2» – волне с правым
направлением вращения.
Таким образом, волна линейной поляризации
представляется в виде суперпозиции двух волн
круговой поляризации.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.
1
2

8.

Анализ структуры поля
1. Изменение поляризации волны.
Если обе волны круговой поляризации имеют равные амплитуды на
входе, то компоненты суммарного ЭМП на выходе обладают
следующими свойствами:
- суммарная компонента вектора напряженности магнитного поля
сохраняют поляризацию исходной волны;
- электрическое поле суммарной волны становится эллиптически
поляризованным, поскольку волновые сопротивления волн разные).
2. Эффект Фарадея.
Hy
Угол наклона вектора H : arctg ' z
Hx
где '
k1 k 2
- постоянная Фарадея.
2
Явление поворота поляризационного эллипса в зависимости от
пройденного волной расстояния называется эффектом Фарадея.
Среды, в которых происходит данный эффект, называются
гиротропными.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

9.

3. Различие фазовых скоростей волн с левым и правым
направлением вращения.
vф1,2
где
1, 2
k1, 2
0
0 1
м
1
1,2
Следствие различия фазовых скоростей волн:
1) резонансное поглощение при ферромагнитном резонансе
испытывает волна правого направления вращения, индекс «2» (ее
фазовая обращается в нуль);
2) изменением величины 0 , т.е. постоянного магнитного поля,
можно управлять параметрами феррита;
3) в ферритах конечных размеров в поперечном сечении
наблюдается эффект смещения поля (при отрицательных
значениях 2 волновое число k 2 становится комплексным. В
результате имеем волны с экспоненциально убывающей
амплитудой вследствие эффекта вытеснения поля средой.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

10.

4. Феррит – невзаимная среда.
Вектор при движении волны в прямом направлении поворачивается
в положение B, а при обратном – не возвращается в A, а, продолжая
вращаться в ту же сторону, приходит в положение C.
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.

11.

3 Особенности распространения ЭМВ
в поперечно намагниченном феррите
H ~ i z H~
Уравнения Максвелла принимают вид:
обыкновенная волна
E 0 x 0,
kH 0 z E 0 y ,
kH E ,
0z
0y
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.
необыкновенная волна
x H 0 x iaH 0 y ,
kE0 z iaH 0 x x H 0 y ,
kE H .
0z
0y

12.

Анализ структуры поля
Различие фазовых скоростей
- для обыкновенной волны об a ,
- для необыкновенной волны:
x2
a
x
vф об
2
,
vф необ
c
c
Следствия:
1) Возможность создания поперечного гиромагнитного резонанса
для необыкновенной волны при x 0 , , vнеоб 0 ;
Условия возбуждения поперечного
и ферромагнитного резонансов:
1,2 - 2 ;
3 - ;
4 - 1
2) Изменение поляризации суммарной волны при изменении
пройденного расстояния (эффект Коттона-Мутона):
(k необ k об ) x
Электродинамика и РРВ.Сем.1. Лекция 7.