background image

 

5-1

5. Fala 

płaska na granicy dwóch ośrodków dielektrycznych 

Zakładamy, że każdy z dwóch ośrodków liniowych, jednorodnych, izotro-
powych i bezstratnych wypełnia półprzestrzeń w ten sposób, że płaszczy-
zna  z = 0 stanowi granicę między nimi. Na granicę  tę pada fala płaska 
o pulsacji  ω pod dowolnym kątem  θ

I

 względem normalnej. W ogólnym 

przypadku powstaje fala odbita i przechodząca, przy czym ich wektory fa-
lowe leżą w jednej płaszczyźnie tzw. płaszczyźnie padania

W rozważaniach tego rozdziału przyjmiemy następujące oznaczenia: 

ˆ

ˆy

,  ˆ – wersory prostokątnego układu współrzędnych xy

k

I

k

R

k

T

 – wersory w kierunku fali padającej (indeks „I” ang. incident), 

odbitej („R” ang. reflected) i przechodzącej („T” ang. transmitted
k

I

k

R

k

T

 – liczby falowe związane z odpowiednimi falami. 

5.1. Odbicie i przejście przy padaniu prostopadłym 

Rozważymy przypadek padania prostopadłego (θ

I

 = 0) zakładając, że fala 

padająca spolaryzowana jest w kierunku osi x, jak na rys. 5.1. 

 

Rys. 5.1. Fala płaska padająca prostopadle na granicę dwóch ośrodków. 

Można ją przedstawić za pomocą wzorów 
 

I

I

ˆ

( , )

exp[ j(

)]

I

z t

E

k z

t

ω

=

E

x

 

 

I

I

1

1

ˆ

( , )

exp[ j(

)]

I

z t

E

k z

t

Z

ω

=

H

y

 (5.1) 

W wyniku tego powstaje fala odbita, poruszająca się do tyłu w ośrodku 1 
 

R

R

ˆ

( , )

exp[ j(

)]

R

z t

E

k z

t

ω

=

E

x

 

 

R

R

1

1

ˆ

( , )

exp[ j(

)]

R

z t

E

k z

t

Z

ω

= −

H

y

 (5.2) 

background image

 

5-2

i fala przechodząca do ośrodka 2 
 

T

T

ˆ

( , )

exp[ j(

)]

T

z t

E

k z

t

ω

=

E

x

 

 

T

T

2

1

ˆ

( , )

exp[ j(

)]

T

z t

E

k z

t

Z

ω

=

H

y

 (5.3) 

Amplitudy E

I

E

R

E

T

 mogą być w ogólności zespolone.  

Dla poprawy czytelności wzorów zastosowano oznaczenie  

 

j(

)

e

exp[ j(

)]

n

k z

t

n

k z

t

ω

ω

, gdzie n = I, R, T 

W powyższych wyrażeniach Z

1

 i Z

2

 są impedancjami właściwymi ośrod-

ków bezstratnych: 

1

2

1

2

1

2

;

Z

Z

μ

μ

ε

ε

=

=

 przy czym dla próżni 

0

0

0

120

377

Z

μ
ε

=

πΩ ≈

Ω

Trzy liczby falowe są powiązane równaniami 
 

I 1

R 1

T 2

k

k

k

ω

=

=

=

v

v

v

 (5.4) 

przy czym 

1

2

1

2

1 1

r1 r1 0 0

2

2

r2

r2 0 0

1

1

1

1

;

c

c

n

n

ε μ

ε μ ε μ

ε μ

ε μ ε μ

=

=

=

=

=

=

v

v

 (5.5) 

Przyjmując, że prądy i ładunki powierzchniowe nie istnieją, warunki brze-
gowe na płaszczyźnie z = 0 przyjmują postać: 

•  dla składowych stycznych pól 
 

t2

t1

0

=

E

E

 (5.6a) 

 

t 2

t1

0

=

H

H

 (5.6b) 

•  dla składowych normalnych pól 
 

n2

n1

0

D

D

=  (5.6c) 

 

n2

n1

0

B

B

=  (5.6d) 

W związku z tym, że nie ma składowych normalnych (fale są typu TEM) 
warunki (5.6c) i (5.6d) są spełnione automatycznie. Natomiast z warunków 
(5.6a) i (5.6b)mamy 
 

I

R

T

E

E

E

+

=

 (5.7) 

 

I

R

T

1

2

E

E

E

Z

Z

=

 (5.8) 

Stąd można wyznaczyć amplitudy fali przechodzącej i odbitej przez ampli-
tudę fali padającej 

 

2

1

2

R

I

T

I

1

2

1

2

2

;

Z

Z

Z

E

E

E

E

Z

Z

Z

Z

=

=

+

+

 (5.9) 

background image

 

5-3

Przepływ energii 

Wiemy, że fala elektromagnetyczna niesie energię. Znając zależności mię-
dzy amplitudami odbitej i przechodzącej w stosunku do amplitudy fali pa-
dającej można wyznaczyć jaka część energii odbija się a jaka przechodzi 
do drugiego ośrodka. Wektor Poyntinga 

 

2

V A

W

m m

m

≡ ×

=

S E H

 (5.10) 

stanowi powierzchniową gęstość strumienia mocy przenoszoną przez falę 
elektromagnetyczną. Uśredniona (w czasie) po pełnym cyklu (lub równie 
dobrze po wielu cyklach) powierzchniowa gęstość strumienia mocy nazy-
wa się natężeniem fali i jest równa  
 

1

2

Re(

* )

T

I

S

×

E H

 (5.11) 

W ośrodku bezstratnym natężenia fali padającej, odbitej i przechodzącej 
przedstawiają wyrażenia 

 

2

I

I

1

1 1
2

I

E

Z

=

;    

2

R

R

1

1 1
2

I

E

Z

=

,    

2

T

T

2

1 1
2

I

E

Z

=

 (5.12) 

Zdefiniujemy współczynnik odbicia mocy  

 

2

2

R

R

2

1

P

2

2

I

1

2

I

(

)

(

)

E

I

Z

Z

R

I

Z

Z

E

=

=

+

 (5.13) 

współczynnik transmisji mocy  

 

2

T

T

1

1 2

P

2

2

I

2

1

2

I

4

(

)

E

I

Z

Z Z

T

I

Z

Z

Z

E

=

=

+

 (5.14) 

Zauważamy, że 
 

P

P

1

R

T

+

=  (5.15) 

 
W technice mikrofalowej definiuje się też współczynnik odbicia pola elek-
trycznego
 

Γ zdefiniowany jako stosunek amplitudy fali odbitej do ampli-

tudy fali padającej w płaszczyźnie z = 0. Jego wartość na podstawie wzoru 
(5.9) jest równa  

 

R

2

1

I

1

2

E

Z

Z

E

Z

Z

Γ =

=

+

 (5.16) 

Jak widać współczynniki transmisji i odbicia mocy można wyrazić przez 

Γ 

 

2

2

P

P

,

1

R

T

= Γ

= − Γ  (5.17) 

 

background image

 

5-4

5.2. Odbicie i przejście przy padaniu ukośnym 

Przyjmujemy, że z lewej strony płaszczyzny z = 0 pada monochromatycz-
na fala płaska (rys. 10.2) 

I

I

I

I

( , )

( ) exp[ j(

)]

t

k

t

ω

=

⋅ −

E r

E r

k r

,  

I

I

I

1

1

( , )

( , )

t

t

Z

=

×

H r

k

E r

  

(5.20) 

W wyniku tego powstaje fala odbita, która pozostaje w ośrodku 1 

R

R

R

R

( , )

( ) exp[ j(

)]

t

k

t

ω

=

⋅ −

E r

E r

k r

,  

R

R

R

1

1

( , )

( , )

t

t

Z

=

×

H r

k

E r

  (5.21) 

i fala przechodząca do ośrodka 2 

T

T

T

T

( , )

( ) exp[ j(

)]

t

k

t

ω

=

⋅ −

E r

E r

k r

,  

T

T

T

2

1

( , )

( , )

t

t

Z

=

×

H r

k

E r

   (5.22) 

 

Rys. 5.2. Wektory falowe przy załamaniu fali płaskiej na granicy dwóch ośrodków. 

 
Warunki brzegowe (5.6) służą do połączenia pól 

I

R

( , )

( , )

t

t

+

E r

E r

 

I

R

( , )

( , )

t

t

+

H r

H r

 w ośrodku 1 z polami 

T

( , )

t

E r

 i 

T

( , )

t

H r

 w ośrodku 2. 

Wszystkie te warunki mają ogólną strukturę 

 

I

I

R

R

T

T

( ) exp[ j(

)] ( )exp[ j(

)]

( ) exp[ j(

)]

k

t

k

t

k

t

ω

ω

ω

⋅ −

+ ⋅

⋅ −

= ⋅

⋅ −

k r

k r

k r

 (5.23) 

Ponieważ warunki brzegowe muszą być spełnione we wszystkich punktach 
płaszczyzny i dla wszystkich czasów, więc te wykładniki muszą być sobie 
równe.
 Składowe czasowe są już równe.  
Równość czynników przestrzennych prowadzi do wzoru 
 

I

I

R

R

T

T

k

k

k

⋅ =

⋅ =

k r

k r

k r

       dla z = 0 

(5.24) 

który musi być spełniony także dla wszystkich x i y w płaszczyźnie roz-
działu. 

background image

 

5-5

Można przedstawić to wyrażenie w jawnej postaci, czyli wektor pozycyjny 

ˆ

ˆ

ˆ

x

y

z

=

+

+

r x

y

z

 a np. 

I

I

I

I

ˆ

ˆ

ˆ

( )

( )

( )

x

y

z

=

+

+

k

x k

y k

z k

. Wyliczając osobno 

dla punktów leżących na prostej 

0

x

=  i dla punktów leżących na prostej 

0

y

=  (oczywiście dla 

0

z

= ) otrzymujemy 

 

I

I

R

R

T

T

( )

(

)

(

)

x

x

x

k

k

k

=

=

k

k

k

 (5.25a) 

 

I

I

R

R

T

T

( )

(

)

(

)

y

y

y

k

k

k

=

=

k

k

k

 (5.25b) 

Można teraz bez straty ogólności tak wybrać osie układu współrzędnych, 
żeby k

I

 leżało w płaszczyźnie xz. Zgodnie z (5.25b) prowadzi to do zero-

wania także y-owych składowych wektorów k

R

 i k

T

. Stąd wniosek: 

 

Pierwsze prawo: Wektory falowe fali padającej, odbitej i prze-
chodzącej leżą w tej samej płaszczyźnie zwanej płaszczyzną pa-
dania
 wyznaczonej przez wektor falowy fali padającej i normalną 
do płaszczyzny rozdziału ośrodków. 
 

Przyjęto określać kierunek wersorów k

I

k

R

k

T

 przez kąty θ

I

, θ

R

, θ

T

 zwane 

odpowiednio  kątem padania,  odbicia i załamania. Są one mierzone od 
normalnej do płaszczyzny padania (tutaj oś z).  
Z równania (5.25a) wynika 
 

I

I

R

R

T

T

sin

sin

sin

k

k

k

θ

θ

θ

=

=

 (5.26) 

Pamiętając, że trzy liczby falowe są powiązane równaniami 

 

I 1

R 1

T 2

k

k

k

ω

=

=

=

v

v

v

, czyli 

2

1

I

R

T

T

1

2

n

k

k

k

k

n

=

=

=

v

v

 (5.27) 

otrzymujemy: 
 

Drugie prawo – prawo odbicia: Kąt padania jest równy kątowi odbi-
cia 

 

I

R

θ θ

=

 (5.28) 

Trzecie prawo – prawo załamania albo Snelliusa (Snella

 

T

I

1

I

T

2

sin

sin

k

n

k

n

θ

θ

=

=

 (5.29) 

Są to trzy podstawowe prawa optyki geometrycznej

background image

 

5-6

Fala padająca spolaryzowana równolegle do płaszczyzny padania 

Rozważmy przypadek fali spolaryzowanej równolegle do płaszczyzny pa-
dania (rys. 5.3) 

 

Rys. 5.3 Fala płaska spolaryzowana równolegle do płaszczyzny padania. 

Z warunków brzegowych dla składowych stycznych pól elektrycznych 
(5.6a) otrzymujemy 
 

I

I

R

R

T

T

cos

cos

cos

E

E

E

θ

θ

θ

+

=

 (5.30) 

a z warunków brzegowych dla składowych stycznych pól magnetycznych 
(5.6b) 

 

I

R

T

1

2

E

E

E

Z

Z

=

 (5.31) 

Dla składowych normalnych tylko warunki brzegowych związane z polem 
elektrycznym (5.6c) wnoszą nowe zależności 
 

1

I

I

R

R

2

T

T

(

sin

sin

)

(

sin )

E

E

E

ε

θ

θ

ε

θ

+

=

 (5.32) 

gdyż pola magnetyczne nie mają składowych z.  

Ze względu na prawa odbicia i załamania równanie (5.32) przechodzi 

w (5.31) i w rezultacie otrzymujemy układ dwóch równań 

 

T

I

R

T

I

cos

cos

E

E

E

θ

θ

+

=

 (5.33) 

 

1

I

R

T

2

Z

E

E

E

Z

=

 (5.34) 

z których wyznaczamy amplitudy fali odbitej i przechodzącej 

 

T

1

I

2

R

I

T

I

T

1

T

1

I

2

I

2

cos

2

cos

,

cos

cos

cos

cos

Z

Z

E

E

E

E

Z

Z

Z

Z

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

=

+

+

 (5.35) 

background image

 

5-7

Wzory te znane są jako równania Fresnela dla polaryzacji w płaszczyźnie 
padania. Dla uproszczenia zapisu można wprowadzić bezwymiarowe 
wielkości 

 

T

I

cos

cos

a

θ

θ

=

    

1

2

Z

b

Z

=

 (5.36) 

Wzory Fresnela przyjmują wtedy postać 

 

R

I

T

I

2

,

a b

E

E

E

E

a b

a b

=

=

+

+

 (5.37) 

Interesujący jest przypadek istnienia kąta padania (zwanego kątem 

Brewstera) przy którym fala odbita jest całkowicie stłumiona. Zachodzi to 
gdy 

a b

=

. Korzystając z tego warunku oraz prawa Snelliusa (5.29) można 

uzyskać wyrażenie na tangens kąta Brewstera 

 

2

1

tg

B

n

n

θ

 (5.38) 

Uwaga: okazuje się, że fale spolaryzowana prostopadle do płaszczy-

zny padania nie wykazują takiego wygaszenia składowej odbitej, więc 
dowolna wiązka padająca pod kątem Brewstera prowadzi do wiązki odbi-
tej całkowicie spolaryzowanej prostopadle do płaszczyzny padania (czyli 
równolegle do płaszczyzny granicznej).  

Odbicie i transmisja mocy 

Podobnie jak dla padania pod kątem prostym będziemy interesować 

się energią odbitą i przechodzącą. Moc fali padająca na jednostkę pola 
powierzchni granicznej wynosi 

ˆ

S z

, inaczej mówiąc jest to wartość skła-

dowej prostopadłej do powierzchni. Stąd natężenie fali padającej (uśred-
nionej wartości wektora Poyntinga) jest równe 

 

2

I

I

I

1

1 1

cos

2

I

E

Z

θ

=

 (5.39) 

podczas gdy natężenia fali odbitej i przechodzącej wynoszą 

 

2

R

R

R

1

1 1

cos

2

I

E

Z

θ

=

,    

T

T

T

2

1 1

cos

2

I

E

Z

θ

=

 (5.40) 

Pojawiające się funkcje cosinus wynikają z tego, że interesujemy się śred-
nią mocą na jednostkę pola powierzchni granicznej, która jest ustawiona 
pod kątem do czoła fali.  

background image

 

5-8

Współczynniki odbicia i transmisji mocy fal spolaryzowanych równolegle 
do płaszczyzny padania są odpowiednio równe 

 

2

2

R

R

P||

2

I

I

E

I

a b

R

I

a b

E

=

= ⎜

+

 (5.41) 

 

2

2

T

T

T

1

P||

2

I

2

I

I

cos

2

cos

E

I

Z

T

ab

I

Z

a b

E

θ
θ

=

=

+

 (5.42) 

Suma

P||

P||

1

R

T

+

=

, czego wymaga zasada zachowania energii. 

 

 

Przykład. Wyznaczyć współczynniki odbicia i transmisji mocy dla pa-
dania prostopadłego
 za pomocą współczynników załamania ośrod-
ków. Przyjmujemy, że dla większości materiałów 

0

μ μ

 i dlatego 

współczynnik załamania 

r r

r

n

μ ε

ε

=

. Obliczyć te współczynniki 

gdy światło przechodzi z powietrza (n

1

 = 1) do szkła (n

2

 = 1,5). 

 
Impedancję właściwą ośrodka Z

1

 (Z

2

) można wyrazić za pomocą n

1

 (n

2

 

r1 0

0

1

r1 0

1

Z

Z

n

μ μ

ε ε

=

    i    

r 2 0

0

2

r 2 0

2

Z

Z

n

μ μ

ε ε

=

 (5.18) 

Po podstawieniu (5.18) do wzorów (5.13) i (5.14) mamy 

 

2

1

2

P

2

1

2

(

)

(

)

n

n

R

n

n

=

+

    i    

1

2

T

2

1

2

4

(

)

n n

R

n

n

=

+

 (5.19) 

Podstawiając dane otrzymujemy R

P

 = 0,04 i R

T

 = 0,96. Oznacza to, że przy 

przejściu światła z powietrza do szkła – większość światła przechodzi. 

background image

 

5-9

 

Przykład. Uzyskać wyrażenie na tangens kąta Brewstera, czyli takiego 
kąta padania, dla którego nie ma fali odbitej: 

 

2

1

tg

B

n

n

θ

 

 

Zachodzi to dla fal spolaryzowanych równolegle do płaszczyzny pa-

dania gdy a = b:  

 

T

1

1

2

1

2

2

1

2

I

2

1

2

2

1 1

2

1

cos

cos

Z

n

Z

n

=

=

=

=

θ

μ ε

μ

ε μ

μ

θ

ε μ

μ

ε μ

μ

 

 

Zwykle ośrodki charakteryzuje 

1

2

0

=

=

μ

μ

μ , wtedy 

 

T

2

I

1

cos

cos

n

n

=

θ

θ

 

 

To samo można uzyskać stosując wzory (5.18) i (5.19) z przykładu 

powyżej. Korzystając z tego warunku oraz prawa Snelliusa 

 

I

2

T

1

sin

sin

n

n

=

θ

θ

 

 

uzyskujemy 

 

T

I

I

T

cos

sin

cos

sin

=

θ

θ

θ

θ

 i dalej 

T

T

I

I

cos

sin

sin cos

=

θ

θ

θ

θ

 

 

Ostatecznie 
 

T

I

sin 2

sin 2

=

θ

θ

 

 

Powyższe wyrażenie jest spełnione, gdy 

T

I

2

2

=

θ

θ

 albo 

T

I

2

2

= π −

θ

θ

Pierwszy przypadek odpowiada sytuacji gdy oba ośrodki mają równe 
współczynniki załamania, drugi – wyznacza kierunek promienia załama-
nego w postaci 

 

T

I

π

= −

2

θ

θ  

Podstawiając ten wynik do prawa Snelliusa uzyskujemy wyrażenie na 

tangens kąta padania, zwanego kątem Brewstera 

B

θ  

 

B

B

2

B

1

B

sin

sin

tg

cos

sin

B

n

n

=

=

=

π

2

θ

θ

θ

θ

θ

 

 

 

background image

 

5-10

5.3. Całkowite wewnętrzne odbicie 

Gdy fala pada z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego może wystąpić 
zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Z prawa Snelliusa mamy 

 

T

2

I

T

T

I

1

sin

sin

sin

k

n

k

n

=

=

θ

θ

θ  (1) 

 

I

1

T

I

I

T

2

sin

sin

sin

k

n

k

n

=

=

θ

θ

θ  (2) 

Stopniowo zwiększając kąta padania 

I

θ  dochodzimy do sytuacji gdy kąt 

załamania 

T

2

= π

θ

. Taki kąt nazywamy kątem krytycznym, czyli 

 

T

2

kr

I

1

sin

k

n

k

n

=

=

θ

 (3) 

Jeżeli 

I

θ  zwiększamy powyżej wartości 

kr

θ  wtedy 

T

θ  stanie się urojone.  

Fala załamana ma postać 

 

T

T

T

T

T

T

T

T

T

ˆ

( , )

( )exp[j(

)]

( )exp[j(

sin

cos

)]

t

k

t

k x

k z

t

=

⋅ −

=

=

+

E r

E r

k r

E r

ω

θ

θ

ω

 (4a) 

 

T

T

T

2

1 ˆ

( , )

( , )

t

t

Z

=

×

H r

k

E r

 (4b) 

Przy czym w ogólności rozważając polaryzację równoległą i prostopadła 
do płaszczyzny padania 
 

T

T

T

T

T

T

ˆ

ˆ

ˆ

( )

cos

sin

E

E

E

=

+

+

E r

x

y

z

&

&

θ

θ . (5) 

Wiemy, że  
 

2

2

2

2

2

2

T

T

T

T

T

T

I

I

cos

sin

sin

k

k

k

k

k

=

=

θ

θ

θ  (6) 

gdzie skorzystaliśmy z prawa prawa Snelliusa (2). 
Powyżej kąta krytycznego wyraz 

T

T

cos

k

θ  będzie urojony. Możemy więc 

zapisać 

T

T

cos

j

k

p

= ±

θ

 gdzie p jest rzeczywiste i równe 

 

2

2

2

I

I

T

sin

p

k

k

=

θ

 (7) 

Stąd podstawiając (7) do (4a) i ponownie korzystając z (2) otrzymujemy 
falę propagującą się w kierunku x i zanikającą w kierunku z  
 

T

T

I

I

( , )

( )exp(

)exp[ j(

sin

)]

t

pz

xk

t

=

E r

E r

θ

ω  (8) 

Jest to przykład powierzchniowej fali elektromagnetycznej tzw. zanikają-
cej (ang. evanescent wave).