background image

 

3-1

3.  Fale EM w dielektryku idealnym i stratnym 

3.1. Równanie falowe w dielektryku idealnym 

W obszarach ośrodka materialnego, w których nie ma ładunków swobod-
nych i prądów swobodnych, równania Maxwella mają postać przedstawio-
ną w pierwszej kolumnie tabeli 3.1. Ośrodek ten można nazwać idealnym 
dielektrykiem (σ = 0) bez źródeł. W ośrodku liniowym  
 

ε

=

D

E  i  

μ

=

B

H

 

 

i jednorodnym równania Maxwella redukują się do postaci podanej 
w drugiej kolumnie tabeli 3.1. 

Tabela 3.1. Równania Maxwella (materia) bez swobodnych ładunków i prądów 

Postać ogólna 

Ośrodek liniowy 

i jednorodny 

 

t

∇ × =

D

H

 

t

με

∇ × =

E

B

       (3.1a)

prawo Ampère’a 
z poprawką Maxwella 

t

∇ × = −

B

E

 

t

∇ × = −

B

E

         (3.1b)

prawo Faradaya 

0

∇ ⋅ =

D

 

0

∇ ⋅ =

E

                 (3.1c)  prawo Gaussa 

0

∇ ⋅ =

B

 

0

∇ ⋅ =

B

                 (3.1d)  bez nazwy 

Zależność (3.1a) poddajemy rotacji 

 

(

)

t

με

∇ × ∇ ×

= ∇ × ⎜

E

B

 

stosujemy tożsamość (5) z tabeli 1.3 i zmieniamy kolejność operatorów 

 

2

(

)

(

)

t

με

∇ ∇ ⋅

− ∇

=

∇ ×

B

B

E

 

wykorzystujemy (3.1b)  

 

2

2

2

(

)

t

με

∇ ∇ ⋅

− ∇

= −

B

B

B

 

a następnie (3.1d) i przenosimy wszystkie składniki na jedną stronę 

 

2

2

2

0

t

με

∇ −

=

B

B

 (3.2a) 

Podobnie postępując z (3.1b) otrzymujemy 

 

2

2

2

0

t

με

∇ −

=

E

E

 (3.2b) 

background image

 

3-2

Otrzymaliśmy oddzielne (tzw. rozprzężone) równania różniczkowe dru-
giego rzędu dla E i B nazywane wektorowymi równaniami falowymi
W układzie kartezjańskim każda składowa pól E i B spełnia  skalarne 
równanie falowe
 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

3

1

0

i

i

i

i

E

E

E

E

x

x

x

t

+

+

=

v

 dla i = 1, 2, 3 

(3.3a) 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

3

1

0

i

i

i

i

B

B

B

B

x

x

x

t

+

+

=

v

 dla i = 1, 2, 3 

(3.3b) 

Prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w liniowym jedno-
rodnym dielektryku idealnym wyrażona jest zależnością 

 

r

r 0 0

1

1

c

n

εμ

ε μ ε μ

=

=

=

v

 (3.4) 

gdzie 

8

0 0

1

m

3,0 10

s

c

ε μ

=

 oraz 

r

r

n

ε μ

Oznaczenie  n to współczynnik załamania  ośrodka materialnego. Dla 
większości materiałów μ

r

 jest bliskie jedności i dlatego 

r

n

ε

3.2. Płaska fala monochromatyczna 

Ważne miejsce w teorii fal ma rozwiązanie wektorowego równania falo-
wego (3.2b) w postaci płaskiej fali monochromatycznej: 
 

j(

)

0

( , )

t

t

e

⋅ −

=

k r

E r

E

ω

 (3.5) 

gdzie 

0

01

02

03

ˆ

ˆ

ˆ

E

E

E

=

+

+

E

x

y

z

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

x

x

x

=

+

+

r x

y

z

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

k

k

k

=

+

+

k x

y

z

Wielkości E

0i

 dla i = 1, 2, 3 są amplitudami w odpowiednich kierunkach 

układu kartezjańskiego. 

Dla fali płaskiej powierzchnie falowe (powierzchnie o jednakowej fa-

zie) są  płaszczyznami wzajemnie równoległymi. Postać fali płaskiej jest 
szczególnie użyteczna z matematycznego punktu widzenia.  

Podstawiając (3.5) do równania falowego (3.2b) uzyskujemy zależ-

ność między długością wektora falowego k a pulsacją 

ω

, czyli tzw. zależ-

ność dyspersyjną: 

 

2

2

j(

)

j(

)

0

0

2

0

t

t

e

e

k

t

ω

ω

ω

με

⋅ −

⋅ −

= ⇒ =

k r

k r

E

E

v

 (3.6) 

Powyższa zależność liniowa oznacza, że dielektryk idealny jest ośrodkiem 
niedyspersyjnym. 

 

Przykład: Wyznaczyć rotację, dywergencję oraz laplasjan dla płaskiej 
fali monochromatycznej danej wzorem (3.5). 

background image

 

3-3

Rozwiązanie. Zauważamy, że E

0i

 dla i = 1, 2, 3 nie zależą od współrzęd-

nych. Wyznaczając operatory różniczkowe obliczamy pochodne cząstko-
we wyłącznie członu eksponencjalnego, np. po współrzędnej x

1

 

 

1 1

2 2

3 3

j(

)

j(

)

j(

)

1

1

1

j

k x k x

k x

t

t

t

e

e

k e

x

x

ω

ω

ω

+

+

⋅ −

⋅ −

=

=

k r

k r

 

 

a po współrzędnej x

i

i = 1, 2, 3 

 

j(

)

j(

)

0

0

j

t

t

i

i

e

k

e

x

ω

ω

⋅ −

⋅ −

=

k r

k r

E

E

 

 

Dywergencja (3.5) to z definicji 

 

j(

)

j(

)

j(

)

01

02

03

1

2

3

j(

)

j(

)

j(

)

1 01

2

02

3

03

j

j

j

t

t

t

t

t

t

E e

E e

E e

x

x

x

k E e

k E e

k E e

ω

ω

ω

ω

ω

ω

⋅ −

⋅ −

⋅ −

⋅ −

⋅ −

⋅ −

+

+

=

+

+

k r

k r

k r

k r

k r

k r

 

 

stąd 
 

j(

)

j(

)

0

0

j

t

t

e

e

ω

ω

⋅ −

⋅ −

∇ ⋅

=

k r

k r

E

k E

 (3.7) 

Pierwsza składowa rotacji (3.5) to 

 

j(

)

j(

)

03

02

2

3

j(

)

j(

)

2

03

3

02

j

j

t

t

t

t

E e

E e

x

x

k E e

k E e

ω

ω

ω

ω

⋅ −

⋅ −

⋅ −

⋅ −

=

k r

k r

k r

k r

 

pozostałe składowe uzyskujemy przez cykliczną zamianę wskaźników. 
Stąd rotacja 
 

j(

)

j(

)

0

0

j

t

t

e

e

ω

ω

⋅ −

⋅ −

∇ ×

=

×

k r

k r

E

k E

 (3.8) 

Druga pochodna 

 

2

j(

)

2

j(

)

0

2

t

t

i

i

e

k

e

x

ω

ω

⋅ −

⋅ −

= −

k r

k r

E

 

 

stąd laplasjan (3.5) 
 

2

j(

)

2

2

2

j(

)

2

j(

)

0

1

2

3

0

0

(

)

t

t

t

e

k

k

k

e

k

e

ω

ω

ω

⋅ −

⋅ −

⋅ −

= −

+

+

= −

k r

k r

k r

E

E

E

 (3.9) 

3.3. Właściwości płaskiej fali monochromatycznej 

Równania falowe (3.2) zostały wyprowadzone z równań Maxwella. Każde 
rozwiązanie równań Maxwella (dla dielektryka idealnego) musi więc speł-
niać równanie falowe, ale twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe — 
równania Maxwella nakładają dodatkowe ograniczenia na E i B.  

W szczególności, rozpatrując płaską falę monochromatyczną rozcho-

dzącą się w kierunku 

ˆk

, ponieważ 

0

∇ ⋅ =

B

 i 

0,

∇ ⋅ =

E

 więc  

 

ˆ

0

⋅ =

k E

 i 

ˆ

0

⋅ =

k B

 (3.10) 

background image

 

3-4

Oznacza to, że zarówno wektor natężenia pola elektrycznego jak i wektor 
indukcji magnetycznej są prostopadłe do kierunku propagacji. Takie fale 
nazywamy  poprzecznymi elektromagnetycznymi (TEM – transverse 
electromagnetic
). 

Z prawa Faradaya 

t

∇ × = −

B

E

 wynika dodatkowo związek  

 

1 ˆ

(

)

=

×

B

k E

v

. (3.11) 

 

Przykład: Wyprowadzić zależność (3.11). 

Rozwiązanie: Podstawiamy do prawa Faradaya 
 

ˆ

:

j

j

L

k

∇ × =

× =

×

E

k E

k E

 

 

:

j

P

t

ω

=

B

B

 

Podstawiając z (3.6) zależność dyspersyjną k

ω

=

v

 uzyskujemy (3.11). 

3.4. Impedancja falowa i impedancja właściwa ośrodka 

Definicja: Impedancją  właściwą  ośrodka bezstratnego nazywamy wiel-
kość 

 

Z

μ
ε

=

 (3.12) 

Wprowadza się też impedancję właściwą próżni 

 

0

0

0

120

377 .

Z

μ
ε

=

πΩ ≈

Ω  (3.13) 

Za pomocą impedancji właściwej ośrodka można zapisać zależność mię-
dzy natężeniem pola magnetycznego H a natężeniem pola elektrycznego E 
dla fali płaskiej typu TEM w postaci 

 

1 ˆ

(

)

=

×

H

k E

Z

. (3.13) 

Definicja: Impedancją falową nazywamy stosunek prostopadłych do kie-
runku rozchodzenia się fali składowych natężenia pola elektrycznego 
i magnetycznego: 

 

f

E

Z

H

=

 (3.14) 

Ze wzoru (3.13) wynika, że dla fali TEM impedancja falowa jest równa 
impedancji właściwej ośrodka Z

f

 = Z

background image

 

3-5

3.5. Równanie falowe w ośrodku stratnym 

Rozważmy liniowy, jednorodny ośrodek materialny w których istnieją ła-
dunki swobodne ρ, a gęstość prądu swobodnego J jest, zgodnie z prawem 
Ohma, proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego 

σ

=

J

E. W takim 

ośrodku, podobnie jak dla idealnego dielektryka 
 

ε

=

D

E  i  

μ

=

B

H

 

 

i równania Maxwella przyjmują postać podaną w pierwszej kolumnie tabe-
li 3.2. Można wykazać, że w ośrodku o niezerowej konduktywności σ po-
czątkowa gęstość ładunku swobodnego ρ

0

(0) zanika z czasem wg wzoru 

 

0

0

( )

(0)exp

t

t

σ

ρ

ρ

ε

=

. (3.15) 

Wielkość 

τ ε σ

 jest tzw. czasem relaksacji. Dla miedzi (dobry prze-

wodnik) jest on rzędu 10

–19

 s, dla „słabych” przewodników jest znacznie 

dłuższy, ale w końcu gęstość ładunku swobodnego zanika. Po tym okresie 
przejściowym przyjmujemy ρ

0

 = 0 i równania Maxwella przyjmują postać 

podaną w drugiej kolumnie tabeli 3.2. 

Tabela 3.2. Równania Maxwella w ośrodku stratnym 

Ośrodek liniowy  

i jednorodny 

Ten sam ośrodek po „rozpłynię-

ciu” ładunku swobodnego ρ

0

 

 

t

μσ

με

∇ × =

+

E

B

E

 

t

μσ

με

∇ × =

+

E

B

E

  (3.16a)

prawo Ampère’a  
z poprawką  
Maxwella 

t

∇ × = −

B

E

 

t

∇ × = −

B

E

               (3.16b) 

prawo Faradaya 

1

ρ

ε

∇ ⋅ =

E

 

0

∇ ⋅ =

E

                       (3.16c) 

prawo Gaussa 

0

∇ ⋅ =

B

 

0

∇ ⋅ =

B

                       (3.16d) 

bez nazwy 

 

Przykład. Wykazać słuszność wzoru (3.15). 

Wskazówka. Korzystamy z równania ciągłości dla ładunku swobodnego 

 

0

t

ρ

∇ ⋅ +

=

J

 

a następnie z prawa Ohma w postaci różniczkowej i prawa Gaussa. 

background image

 

3-6

Analogicznie jak dla ośrodków bezstratnych stosując rotację do (3.16a) 
oraz (3.16b) otrzymujemy 

 

2

2

2

2

(

)

(

)

(

)

(

)

t

t

t

t

μσ

με

μσ

με

μσ

με

∇ × ∇ ×

= ∇ ×

+

∇ ∇ ⋅

− ∇

=

∇ ×

+

∇ ×

−∇

= −

E

B

E

B

B

E

E

B

B

B

 

oraz 

 

2

2

(

)

(

)

(

)

t

t

t

t

μσ

με

∇ × ∇ ×

= ∇ × −

∇ ∇ ⋅

− ∇

= −

∇ ×

−∇ = −

+

B

E

E

E

B

E

E

E

 

Wykorzystaliśmy tożsamość (5) z tabeli 1.3 oraz 

0

∇ ⋅ =

B

 i 

0,

∇ ⋅ =

E

 stąd 

 

2

2

2

0

t

t

μσ

με

∇ −

=

E

E

E

 (3.17a) 

 

2

2

2

0

t

t

μσ

με

∇ −

=

B

B

B

 (3.17b) 

Podobnie jak dla ośrodka bezstratnego otrzymaliśmy identyczne w swej 
postaci rozprzężone równania falowe dla pól E i B

3.6. Płaska fala monochromatyczna w ośrodku stratnym 

Poszukajmy rozwiązania równań (3.17) w postaci fali płaskiej monochro-
matycznej:  
 

j(

)

0

( , )

t

t

e

ω

⋅ −

=

K r

E r

E

j(

)

0

( , )

t

t

e

ω

⋅ −

=

K r

B r

B

 (3.18) 

Skoncentrujmy naszą uwagę na polu elektrycznym E. Podstawiając (3.18) 
do (3.17)  
 

2

2

j

0

K

μσω μεω

+

+

=

 

 

 

2

2

2

2

2

j

1 j

1 j

K

σ

ω

σ

μσω μεω

μεω

εω

εω

=

+

=

+

=

+

v

 

 

2

2

1 j

K

k

σ

εω

=

+

 oraz 

k

ω

=

v

 (3.19) 

uzyskujemy równanie dyspersyjne.  

background image

 

3-7

Obliczając pierwiastek z tego wyrażenia otrzymujemy 

 

1 j

j

K k

σ

α

β

εω

=

+

= +

 (3.20) 

gdzie  

 

2

2

1

1

1

1

,

2

2

k

k

σ

σ

εω

εω

α

β

+

+

+

=

=

 (3.21) 

Wektor K nazywany jest zespolonym wektorem propagacji. We wzo-

rze (3.18), a wcześniej (3.5) wprowadzając jednostkę urojoną „j” przyjęli-
śmy wygodniejszy do obliczeń zespolony zapis fali monochromatycznej. 
Jak widać „zapłaciliśmy” za to przekształceniem wektorów E i B oraz K 
wektory zespolone, które nie mają sensu fizycznego i nie należy im 
przypisywać właściwości geometrycznych.  

 

Przykład. Równanie falowe w ośrodku stratnym w przybliżeniu har-
monicznym.  

Wektorowe równanie falowe w dielektryku idealnym ma postać 

 

2

2

2

( , )

( , )

0

t

t

t

=

E r

E r

με

 

W przybliżeniu harmonicznym można je zapisać jako 
 

2

2

( , )

( , ) 0

+

=

E r

E r

ω

ω με

ω

 

Dla ośrodka stratnego wprowadzając formalnie zamiast przenikalności 
dielektrycznej 

ε

 zespoloną przenikalność dielektryczną  ε  

 

1 j

=

σ

ε ε

ωε

 

 

otrzymujemy  
 

2

2

0

∇ +

=

E

E

ω με

 

Pozwala to na wyznaczenie zamiast liczby falowej 

k

= ω εμ

, zespolonej 

liczby falową   w postaci 

 

1 j

j

K

k

=

= −

σ

ω εμ

α

β

ωε

 

 

gdzie  

 

2

2

1

1

1

1

,

2

2

k

k

+

+

+

=

=

σ

σ

εω

εω

α

β

 

 

background image

 

3-8

3.7. Właściwości płaskiej fali monochromatycznej w ośrodku stratnym 

Bez straty ogólności możemy tak zorientować układ współrzędnych 

aby rozwiązaniem równania (3.17) były postaci 

3

~ exp( j

)

Kx

E

 albo 

3

~ exp( j

)

Kx

E

. Występują dwa znaki, ze względu na kwadratową zależ-

ność we wzorze (3.19). Jeżeli szukamy fali płaskiej monochromatycznej 
poruszającej się w dodatnim kierunku osi x

3

 to rozwiązanie równania 

(3.17) może być zapisane w postaci 
 

3

3

3

j(

)

j(

)

3

0

0

( , )

e

e

e

Kx

t

x

x

t

x t

ω

β

α

ω

=

=

E

E

E

 (3.22a) 

Postępując analogicznie dla pola B otrzymujemy 
 

3

3

3

j(

)

j(

)

3

0

0

( , )

e

e

e

Kx

t

x

x

t

x t

ω

β

α

ω

=

=

B

B

B

 (3.22b) 

Jak widać część urojona β wielkości K prowadzi do tłumienia fali. Z wiel-
kością tą wiąże się głębokość wnikania δ

w

 

 

1

w

δ

β

=

 (3.23) 

Część rzeczywista wielkości K określa następujące parametry fali: 
•  długość fali 

 

2

λ

α

π

=

 (3.24) 

•  prędkość rozchodzenia się (prędkość fazową) 

 

f

ω
α

=

v

 (3.25) 

•  współczynnik załamania 

 

c

n

α

ω

=

 (3.26) 

 

Przykład. Moduł i część rzeczywista wektora zespolonego E

Wektor zespolony E można zapisać w postaci sumy dwóch wektorów rze-
czywistych 

 

Re( ) j Im( )

=

+

E

E

E

 

Modułem wektora zespolonego nazywamy wyrażenie o postaci 
 

*

=

E

E E

Część rzeczywistą wektora zespolonego można obliczyć z wyrażenia 

 

*

Re( )

2

+

=

E E

E

 

Przykład. Wychodząc z równania (3.20) wyznaczyć  α i β w postaci 
podanej w (3.21). 

background image

 

3-9

Tłumione fale płaskie (3.22) spełniają zmodyfikowane równania falowe 
(3.17) dla dowolnych wartości E

0

 i B

0

. Ale równania Maxwella nakładają 

dodatkowe ograniczenia, które pozwalają określić względne amplitudy, 
fazy i polaryzacje E i B

Analogicznie jak w ośrodku bezstratnym rozpatrując falę płaską roz-

chodzącą się w kierunku dodatnim osi x

3

, ponieważ 

0

∇ ⋅ =

B

 i 

0,

∇ ⋅ =

E

 

więc  
 

3

0

E

=

 i 

3

0

B

=

 (3.27) 

Tłumione fale płaskie, podobnie jak w dielektryku idealnym są także po-
rzecznymi elektromagnetycznymi
 (TEM – transverse electromagnetic). 
Możemy tak zorientować osie układu współrzędnych aby natężenie pola 
elektrycznego E było spolaryzowane wzdłuż osi x

1

 

 

3

3

j(

)

3

01

ˆ

( , )

e

e

x

x

t

x t

E

β

α

ω

=

E

x

 (3.28) 

wtedy z prawa Faradaya 

t

∇ × = −

B

E

 otrzymujemy 

 

3

3

j(

)

3

01

ˆ

( , )

e

e

x

x

t

K

x t

E

β

α

ω

ω

=

B

y

 (3.29) 

(z prawa Ampère’a z poprawką  Maxwella wynika to samo). Jak widać po-
la E i B są do siebie prostopadłe. 

3.8. Wyznaczenie rzeczywistych pól E i B 

Wektory opisane równaniami (3.28) i (3.29) są zespolone i nie mają sensu 
fizycznego. Sens fizyczny mają części rzeczywiste tych wektorów. Aby je 
wyznaczyć zastosujemy przedstawienie zespolonych wielkości za pomocą 
ich modułu i fazy: 

01

0

0

0

0

01

0

0

exp j

;

exp j

exp j

exp j(

)

exp j

E

E

E

B

E

E

K

K

K E

E

E

B

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ω

ω

ω

=

=

=

+

=

 (3.30) 

W powyższych wyrażeniach wielkości  E

0

,  B

0

,  K

0

  są  wielkościami rze-

czywistymi przy czym 

 

2

2

2

2

4

0

1

1

K

K

k

σ

σ

α

β

ω με

εω

εω

=

+

=

+

=

+

 

oraz  

 

arctg

β

ϕ

α

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

 (3.31) 

background image

 

3-10

Jak widać ze wzoru (3.30) 

B

E

ϕ

ϕ

ϕ

=

 tak więc pole magnetyczne opóź-

nia się względem pola elektrycznego. Rzeczywiste amplitudy wielkości E 
B są powiązane zależnością 

 

2

0

0

0

1

B

K

E

σ

με

ω

εω

=

=

+ ⎜

 (3.32) 

Stąd rzeczywiste pola E i B dla fali płaskiej w ośrodku stratnym mają po-
stać 

 

3

3

3

0

3

3

0

3

ˆ

( , )

e

cos(

)

ˆ

( , )

e

cos(

)

x

E

x

E

x t

E

x

t

x t

B

x

t

β

β

α

ω ϕ

α

ω ϕ

ϕ

=

+

=

+

+

E

x

B

y

 (3.33) 

 

3.9. Przybliżenie słabego przewodnika (dielektryk o małych stratach) 

Rozważmy ośrodek o małych stratach, tzn. dla którego 

 

1

σ

εω

<<

.  

Dla obliczenia α i β wykorzystamy rozwinięcie w szereg Maclaurina wy-
rażenia 
 

2

1

1

1

2

8

2

1

1

1

u

u

u

u

+ = +

+

≈ +

 

gdzie 

2

u

σ

εω

= ⎜

. W tym przypadku 

 

2

2

2

1

1

,

2

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

k

k

k

k

k

σ

εω

α

ω με

σ

σ

ω με

σ

σ

σ μ

εω

εω

β

εω

εω

ε

+

+

=

≈ =

+

+

=

=

=

=

 

background image

 

3-11

Wynika stąd,  że współczynnik tłumienia  β w przybliżeniu nie zależy od 
częstotliwości. Natomiast współczynnik fazy α, a co za tym idzie prędkość 
fazowa i długość fali 

 

f

1

2

2

2

;

k

k

ω ω

λ

α

α

με

ω με

π

π

π

=

=

=

=

v

 

 

są w przybliżeniu identyczne w ośrodku małostratnym i bezstratnym. Mo-
żemy także zaniedbać przesunięcie fazowe pola magnetycznego względem 
elektrycznego, ponieważ 

 

1

2

tg

0

0

2

k

k

σ

β

σ

εω

ϕ

ϕ

α

εω

=

=

≈ ⇒ ≈ .  

Pola elektryczne i magnetyczne fali płaskiej w ośrodku bezstratnym 

i małostratnym przedstawia rysunek 3.1. 

 

 

 

Rys. 3.1. Płaska fala elektromagnetyczna w ośrodku bezstratnym i małostratnym 

3.10. Przybliżenie rzeczywistego przewodnika 

Przewodniki charakteryzują się bardzo dużą konduktywnością i możemy 
założyć, że  

 

1

σ

εω

>> .  

Wykorzystując to przybliżenie dla obliczenia α  

 

2

2

1

1

2

2

2

2

2

k

k

k

σ

σ

σ

σ

ωμσ

εω

εω

α

ω με

εω

εω

+

+

=

=

=

=

 

background image

 

3-12

i analogicznie β 

 

2

1

1

2

2

k

σ

ωμσ

εω

β

+

=

 

 

wyznaczamy prędkość fazową i długość fali  

 

f

2

2

2

2

;

2

2

ω

ω

ω

λ

α

μσ

α

ωμσ

ωμσ

ωμσ

π

π

π

=

=

=

=

v

 

 

Jak widać prędkość fazowa zależy od częstotliwości. Ten efekt nazywamy 
dyspersją.  
Można obliczyć przesunięcie fazowe czyli kąt o jaki pole magnetyczne 
opóźnia się względem pola elektrycznego 

 

tg

1

4

β

ϕ

ϕ

α

π

=

≈ ⇒ ≈ .  

Głębokość wnikania maleje wraz ze wzrostem częstotliwości zgodnie ze 
wzorem 

 

1

2

w

δ

β

ωμσ

=

=

 

 

Szczególnie dla dużych częstotliwości (rzędu mega- i gigaherców) głębo-
kość wnikania jest bardzo mała. Mówimy wtedy o zjawisku naskórkowo-
ści
.  

Pola elektryczne i magnetyczne fali płaskiej w ośrodku stratnym 

przedstawia rysunek 3.2. 

 

 

Rys. 3.2. Płaska fala elektromagnetyczna w przewodniku rzeczywistym.  

background image

 

3-13

3.11. Zespolona 

przenikalność elektryczna i magnetyczna 

Gdy zależność pól E i H dana jest przez czynnik exp( j t)

ω

 dogodnie jest 

dysponować oznaczeniami dla części rzeczywistej i urojonej obu przeni-
kalność. Przyjęły się następujące oznaczenia

1

 

j

ε ε

ε

′′

= +

,    

j

μ μ

μ

′′

=

+

 

 

W niektórych podręcznikach zależność od czasu jest dana przez czynnik 

exp( j t)

ω

+

; przyjmuje się wtedy oznaczenia 

 

j

ε ε

ε

′′

= −

,    

j

μ μ

μ

′′

=

 

 

Dysponując tymi definicjami można omówić zjawisko strat mocy fali na 
przykładzie strat elektrycznych. 

Całkowity prąd (przewodzenia i przesunięcia) w dielektryku dla pól 

proporcjonalnych do exp( j t)

ω

 ma gęstość wyrażającą się wzorem 

 

j (

j )

(

)

j

σ

ω ε

ε

σ ωε

ωε

′′

′′

=

+

=

+

+

j

E

E

E

E

 

 

Składowa prądu będąca w fazie z polem elektrycznym, czyli propor-

cjonalna do (

)

σ ωε

′′

+

E

 wywołuje straty mocy, natomiast składowa prądu 

proporcjonalna do (

)

ωε

E

 powoduje magazynowanie energii. 

Definiuje się wielkość zwaną tangensem kąta stratności (w tym przy-

padku stratności elektrycznej) jako stosunek tych dwóch składowych 

 

tg

ε

σ ωε

δ

ωε

′′

+

=

 

 

Wzór ten jest szczególnie ważny przy dużych częstościach (decyduje licz-
nik). Natomiast przy małych częstościach pomija się składową urojoną 
przenikalności elektrycznej i o stratach decyduje konduktywność ośrodka. 
Wzór powyższy przyjmuje wtedy prostszą postać 

 

tg

ε

σ

δ

ωε

=

 

 

W ośrodkach ferromagnetycznych rozważa się też starty magnetyczne i 
wprowadza analogicznie tangens kąta stratności magnetycznej 

 

tg

μ

ωμ

μ

δ

ωμ

μ

′′

′′

=

=

 

 

Zwróćmy uwagę, że dzięki odmiennym definicjom zespolonych prze-

nikalności, definicje kątów stratności są jednakowe zarówno dla pól pro-
porcjonalnych do exp( j t)

ω

 jak i do exp( j t)

ω

+

 

                                     

1

 K. Bochenek, „Metody analizy pól elektromagnetycznych” PWN Warszawa, Wrocław 1961 str. 13. 

background image

 

3-14

3.12. 

Impedancja falowa i impedancja właściwa ośrodka stratnego 

Definicja: Impedancją właściwą ośrodka stratnego nazywamy wielkość 

 

j

j

Z

ωμ

σ

ωε

=

+

 

 

Definicja: Impedancją falową ośrodka stratnego nazywamy stosunek pro-
stopadłych do siebie i kierunku rozchodzenia się fali wektorów zespolo-
nych pola elektrycznego i magnetycznego: 

 

f

E

Z

H

=

 

 

Można wykazać, podobnie jak dla fali TEM w ośrodku idealnym, że im-
pedancja falowa jest równa impedancji właściwej ośrodka: 

 

2

2

1

2

f

2

2

1

2

.

E

E

Z

Z

H

H

+

=

=

+

 

 

Inne definicje 
Definicja. Impedancja falowa (charakterystyczna) – stosunek napięcia do 
prądu fali docelowej w płaszczyźnie poprzecznej do osi toru transmisyjne-
go. 
Definicja: Impedancja – całkowity opór (pozorny) stawiany przez element, 
obwód, kabel przepływowi prądu przemiennego o określonej częstotliwo-
ści.