Как записывается поле с различными видами поляризации

Направление поляризации

Вектор напряженности электромагнитной волны E, поляризованной эллиптически, вращается в плоскости декартовой системы координат в направлении распространения волны и видится наблюдателю в форме спирали. Такие условия часто принимаются в технической литературе.

Любое состояние поляризации волны можно разделить на две линейно поляризованные ортогональные компоненты, ориентированные вдоль осей х и у. Если амплитуды обеих компонент равны, а фазовый сдвиг у-компоненты относительно х-компоненты равен ± π/2, то такое излучение поляризовано циркулярно. Знак фазового сдвига определяет направление вращения. За вращение по часовой стрелке (правая круговая поляризация (рис. 1)) отвечает фазовый сдвиг – π/2, соответственно, вращение против часовой стрелки или левая круговая поляризация (рис. 2), задается фазовым сдвигом + π/2.

Рисунок 1. Правая круговая поляризация

Рисунок 2. Левая круговая поляризация

На рис. 1 и рис. 2 проиллюстрирована проекция вращения вектора напряженности поля Е на виртуальном экране. Окружность формируется при каждом вращении вектора напряженности поля Е по часовой стрелке (или против часовой стрелки), соответственно.

Генерация циркулярно поляризованного света

Круговой поляризацией света называется состояние поляризации света, которое получается в результате прохождения линейно поляризованной волны через четвертьволновую пластину. Удобно описывать это состояние математически с помощью матриц.

Под вектором Джонса принимается описание направления поляризации света, матрица Джонса описывает четвертьволновую пластину.

Матрица Джонса, описывающая четвертьволновую пластину, медленная ось которой ориентирована вдоль оси х, принимает вид:

(1)

где e iπ /4 – коэффициент фазы (практически во всех случаях может быть опущен).

Вектор Джонса, описывающий вектор линейной поляризации, ориентированный под углом + 45°, записывается как:

(2)

Когда линейно поляризованный свет проходит через четвертьволновую пластину, вектор Джонса для излучения на ее выходе вычисляется как:

(3)

Соотношение справедливо для света с правой круговой поляризацией. Иллюстрация, приведенная на рис. 3, показывает случай, когда быстрая и медленная оси четвертьволновой пластины сонаправлены с осями х и у в декартовой системе координат. Фиолетовый вектор показывает ориентацию линейной поляризации падающей под углом + 45° волны. Красный и синий векторы – ортогональные компоненты вектора напряженности в фазе. x-компонента (синий) сонаправлена с медленной осью волновой пластины. Скорость перемещения этой компоненты ниже скорости перемещения у-компоненты (красный), сонаправленной с быстрой осью пластины. Прохождение сквозь волновую пластину задерживает фазу х-компоненты. Величина замедления зависит от толщины пластины, для четвертьволновой пластины фазовый сдвиг равен – π/2 При таком сдвиге фаз результатом является правая круговая поляризация. Вектор напряженности поля Е вращается по часовой стрелке по ходу распространения волны вдоль оси z.

Рисунок 3. Генерация право циркулярно поляризованного света

Когда падающий свет поляризован линейно, а вектор поляризации ориентрирован под углом – 45 о , вектор Джонса принимает следующий вид:

(4)

Вектор Джонса излучения на выходе четвертьволновой пластины описывается соотношением:

(5)

Выходное излучение характеризуется левой круговой поляризацией. Данный случай проиллюстрирован на рис. 4. Волновая пластина ориентирована так же, как и на рис. 3, фиолетовый вектор также обозначает ориентацию вектора линейной поляризации падающего света. При этом разность фаз между х— и у-компонентами вектора напряженности поля Е отсутствует. Ориентация вектора поляризации под углом – 45 о означает азимутальное вращение. Красный вектор указывает на положительное направление оси у, синий – на отрицательное направление оси х. Прохождение сквозь пластину добавляет компоненте, сонаправленной с медленной осью, сдвиг фазы + π/2 относительно фазы компоненты, сонаправленной с быстрой осью пластины. Выходное излучение обладает левой круговой поляризацией и вектор Е вращается против часовой стрелки по ходу распространения волны вдоль оси z.

Рисунок 4. Генерация лево циркулярно поляризованного света

Векторы и матрицы Джонса

Приведенные таблицы содержат информацию о видах векторов и матриц Джонса для стандартных оптических компонентов в зависимости от состояния поляризации.

Таблица 1. Векторы Джонса

Таблица 2. Матрицы Джонса для стандартной оптики

Оптический элемент	Матрица Джонса
Горизонтальный линейный поляризатор
Вертикальный линейный поляризатор
Линейный поляризатор, + 45 о
Линейный поляризатор, – 45 о
Четвертьволновая пластина, медленная ось ориентирована горизонтально
Четвертьволновая пластина, медленная ось ориентирована вертикально

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

Поляризация света, виды, свойства

Что такое поляризация света? Основные свойства, описание

Определение: направление колебаний электрического поля светового луча.

Во многих отношениях свет можно описать как волновое явление. Более конкретно, световые волны распознаются как электромагнитные поперечные волны, то есть с поперечными колебаниями электрического и магнитного полей.

Полезные статьи:

Виды поляризации света

Линейная поляризация света

Направление поляризации связано с электрическими колебаниями, а не с магнитными.

В простейшем случае световой луч линейно поляризован. Это означает, что электрическое поле колеблется в определенном линейном направлении, перпендикулярном оси луча, а магнитное поле колеблется в направлении, которое перпендикулярно как оси распространения, так и направлению электрического поля.

За направление поляризации принимается направление колебаний электрического поля (т. е. не магнитных). Например, лазерный луч, распространяющийся в направлении z, может иметь колебания электрического поля в вертикальном (y) направлении и колебания магнитного поля в горизонтальном (x) направлении. Его можно назвать вертикально поляризованным или y-поляризованным.

Конечно, поляризация может иметь любое другое направление, перпендикулярное оси луча. Обратите внимание, что поворот поляризации на 180 ° не приводит к физически отличному состоянию.

Круговая и эллиптическая поляризация света

Состояние круговой поляризации может быть математически получено как суперпозиция колебаний электрического поля в вертикальном и горизонтальном направлениях, оба с одинаковой силой, но относительным изменением фазы на 90 °. Фактически, это приводит к быстрому вращению вектора электрического поля. Т.е один раз за оптический цикл, которое поддерживает постоянную величину.

Различают левую и правую круговую поляризацию. Например, левая круговая поляризация означает, что вектор электрического (и магнитного) поля вращается в левом направлении, если смотреть в направлении распространения. Для наблюдателя, смотрящего против луча, вращение, конечно, имеет противоположное направление.

Если колебания горизонтального и вертикального векторов электрического поля не имеют одинаковой силы, возникает случай эллиптической поляризации, когда вектор электрического поля, спроецированный на плоскость, перпендикулярную направлению распространения, движется по эллипсу.

Радиальная и азимутальная поляризация света

В предыдущих случаях направление вектора электрического поля предполагалось постоянным по всему профилю луча. Однако существуют световые лучи, в которых это не так. Например, существуют лучи с радиальной поляризацией, где поляризация в любой точке профиля луча ориентирована в радиальном направлении, т. е. в сторону от оси луча.

Обратите внимание, что состояние радиальной или азимутальной поляризации требует нулевой напряженности электрического поля. Следовательно, также исчезающей оптической интенсивности на оси луча. Это несовместимо, например, с гауссовым пучком. Радиально поляризованные лучи часто имеют вид бублика.

Радиально поляризованный лазерный луч может быть сгенерирован из линейно поляризованного луча с помощью какого-либо оптического элемента, но также возможно получить радиально поляризованное излучение непосредственно от лазера. Преимущество этого подхода, применяемого в твердотельном объемном лазере, заключается в том, что можно избежать потерь на деполяризацию. Кроме того, существуют приложения, использующие радиально поляризованный свет.

Существуют также лучи с азимутальной поляризацией, где направление электрического поля в любой точке является тангенциальным, т. е. перпендикулярным линии, проходящей через точку и ось луча.

Поляризация p и s

Состояние поляризации света часто имеет значение, когда свет попадает на оптическую поверхность под некоторым углом. Состояние линейной поляризации тогда обозначается как p-поляризация, когда направление поляризации лежит в плоскости, пересекаемой входящим лучом и отраженным лучом. Поляризация с направлением, перпендикулярным этому, называется s-поляризацией.

К сожалению, термины также иногда используются с другим значением в контексте дифракционных решеток.

Исчисление Джонса

Состояние поляризации монохроматического света часто описывается с помощью вектора Джонса, имеющего комплексные амплитуды электрического поля для направлений x и y, если распространение происходит в направлении z. Этот вектор Джонса может быть постоянным на некоторой площади поперек луча или он может меняться, например, для радиально поляризованного луча.

Эффект оптических элементов, таких как волновые пластины, поляризаторы и вращатели Фарадея, может быть описан с помощью матриц Джонса, с помощью которых векторы Джонса могут быть преобразованы путем умножения. Целую последовательность таких оптических элементов можно описать с помощью одной матрицы Джонса, которая получается как произведение матриц, соответствующих компонентам.

Существуют случаи, когда полихроматический свет может быть описан с помощью одного вектора Джонса, поскольку все его частотные компоненты имеют по существу одинаковое состояние поляризации. Однако в других случаях состояние поляризации существенно зависит от частоты.

Векторы Джонса можно использовать только для полностью определенных состояний поляризации, не для неполяризованных или частично поляризованных пучков, имеющих случайную природу.

Неполяризованные и частично поляризованные лучи

Световой луч называется неполяризованным, когда анализ с помощью поляризатора приводит к тому, что 50% мощности приходится на каждое состояние поляризации, независимо от ориентации вращения. Микроскопически это обычно означает, что состояние поляризации случайным образом колеблется, так что в среднем поляризация не обнаруживается. Обратите внимание, что такие колебания невозможны для строго монохроматического света.

Линейно поляризованный свет может быть деполяризован (сделан неполяризованным) с помощью поляризационного скремблера, который применяет упомянутые случайные изменения поляризации или, по крайней мере, квазислучайные изменения.

Существуют также частично поляризованные состояния света. Они могут быть описаны с помощью векторов Стокса. Кроме того, можно определить степень поляризации, которая может быть рассчитана по вектору Стокса и может варьироваться от 0 (неполяризованный) до 1 (полностью поляризованный).

Полностью поляризованные состояния могут быть связаны с точками на так называемой сфере Пуанкаре. Частично поляризованные состояния соответствуют точкам внутри этой сферы. Неполяризованный свет представлен точкой в ее центре.

Свойства поляризации света

Эффекты волновых пластин

Состоянием поляризации света часто манипулируют, используя различные виды оптических волновых пластин. Некоторые примеры:

• С помощью полуволновой пластины (λ / 2 пластины) можно повернуть состояние линейной поляризации в любом другом направлении.
• С помощью пластины с четвертью волны (λ / 4 пластины), ось которой ориентирована под углом 45 ° к направлению поляризации, можно преобразовать состояние линейной поляризации в круговое (и наоборот).
• С помощью комбинации одной половинчатой и двух четвертьволновых пластин можно реализовать контроллер поляризации, с помощью которого можно выполнять произвольные преобразования поляризации путем правильного вращения трех пластин.

Истинное вращение поляризации

Как объяснялось выше, волновая пластина или другой оптический элемент с двойным лучепреломлением может поворачивать направление линейной поляризации, но в более общем случае после такого элемента будет получено состояние эллиптической поляризации.

Истинное вращение поляризации, при котором всегда поддерживается состояние линейной поляризации (просто с переменным направлением), может происходить в форме оптической активности. Некоторые оптически активные вещества, такие как обычный сахар (сахароза), могут создавать значительные углы поворота уже в пределах, например, нескольких миллиметров длины распространения. Оптическую активность можно точно измерить с помощью поляриметров.

В то время как оптическая активность обычно является результатом присутствия хиральных молекул с разницей концентраций между двумя возможными энантиометрами, она также может быть вызвана магнитным полем в веществе, которое не является оптически активным в природе. Это называется эффектом Фарадея и используется в вращателях и изоляторах Фарадея.

Коэффициент ослабления поляризации

Степень линейной поляризации часто определяется количественно с помощью коэффициента поляризационного ослабления, определяемого как отношение оптических мощностей в двух направлениях поляризации.

Она часто указывается в децибелах и измеряется путем записи зависящей от ориентации передачи мощности поляризатора. Конечно, коэффициент затухания самого поляризатора должен быть выше, чем у лазерного луча.

2.3. Виды поляризации

В зависимости от строения диэлектрика различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релак-сационную, дипольно-релаксационную, миграционную, электронно-релаксационную, самопроизвольную (спонтанную), резонансную. Наиболее часто встречаются первые пять видов поляризации.

Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие части­цы диэлектрика, смещаясь, вызывают поляризацию, а также на ка­кие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика, способ­ные смещаться (заряженные частицы) или ориентироваться (диполи) под действием внешнего электрического поля, вызывая при этом по­ляризацию, можно объединить в две группы: упруго (сильно) связан­ные и слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды) имеют одно положение рав­новесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие рас­стояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы — в пределах молекулы, ионы — в пределах элементарной ячейки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакован­ной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствие электрического поля могут находиться равноверо­ятно. Переход слабо связанных частиц из одного равновесного поло­жения в другое осуществляется под действием флуктуации теплового движения. Слабо связанная частица какое-то время колеблется око-52

оложения равновесия, затем под действием флуктуации скачком Л ° яет это положение равновесия на другое. Время нахождения час- МС ы в определенном положении равновесия зависит от высоты по-™ пиального барьера между данными положениями равновесия. Электрическое поле придает направленный характер этим перехо-

. положительно заряженные частицы смещаются по полю, а от-иц’ательно заряженные — против поля. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо ббльшие расстояния, чем смещение упруго связанных частиц (зарядов).

Все виды поляризации подразделяются на упругие (деформацион-_ные\ _ обусловленные упруго связанными частицами (зарядами), и релаксационные — обусловленные слабо связанными частицами (за­рядами).

К деформационным видам поляризации относятся электронная и ионная. Они устанавливаются упруго, практически мгновенно и без рассеяния энергии приложенного электрического поля — без ди­электрических потерь (см. гл. 4.1).

Электронная поляризация заключается в упругом смещении (де­формации) электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядра (рис. 2.5) и имеет место во всех диэлектриках. Время установ­ления этой поляризации чрезвычайно мало (т = 10~ 14 —10~ 15 с), по­этому она наблюдается на всех частотах, включая оптические (т = 10′ 2 —10 15 Гц). Электронная поляризуемость ос_э не зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного напряжения (а_э ф (p(T,f)), a с увеличением размера атома (иона) возрастает; а_э = л 3 , где г — радиус атома (иона).

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических и аморф­ных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) и заключается в смещении упруго связанных ионов под дейст­вием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной ре­шетки, т.е. в упругой деформации решетки (у аморфных веществ — апериодической сетки). На рис. 2.6 схематически показана ионная поляризация NaCl, имеющего кубическую решетку. Время установ­ления ионной поляризации порядка 10~ 12 — 10~ 13 с, поэтому она име­ет место на всех частотах до оптических включительно. Ионная по­ляризуемость а_и не зависит от частоты приложенного напряжения,

с — 2.5. Схематическое изображение электронной поляризации

Рис. 2.6. Механизм ионной поляриза­ции на примере NaCl (схематически)

Рис. 2.7. Зависимость ионной а_и (2) и ионно-релаксационной а_ир (/) поляризуемости от тем­пературы (схематически)

Рис. 2.8. Схематическое изображение

ионно-релаксационной поляризации на

/ — подрешетка ионов цезия Cs + ; 2 — подре-шетка ионов хлора С1~

но с повышением температуры линейно возрастает (рис. 2.7, 2), так как происходит ослабление упругой связи между ионами; а_и = 2q 2 /k_CB,rac q — заряд иона; /с_св — коэффициент упругой связи между ионами. Чем слабее связь между ионами и чем выше их заряд (валентность), тем больше сс_и.

Ионную поляризацию можно рассматривать как частный случай атомной поляризации. Наиболее часто молекула диэлектрика состоит из атомов различных химических элементов, имеющих соответствен­но различную электроотрицательность. Образующиеся ковалентные связи между этими атомами имеют различную полярность, а сами атомы фактически несут на себе положительный или отрицательный заряд той или иной величины (см. гл. 1.4). Поэтому под действием внешнего электрического поля все атомы молекулы смещаются из своих равновесных положений в пределах молекулы, обусловливая атомную поляризацию.

Релаксационными видами поляризации являются: ионно-релак­сационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная) и резонансная. Они протекают замедленно и с поглощением энергии приложенного поля, обусловливая тем самым диэлектрические потери (см. гл. 4.1).

Ионно-релаксационная поляризация имеет место в неорганических стеклах и в ионных кристаллах с неплотной упаковкой решетки ио­нами (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.). Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении, вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо свя­занных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансий, ионы примеси и т.п. На рис. 2.8 схематически изображена ионно-релаксационная поляризация на примере CsCI, имеющего неплотно упакованную решетку ионами. Одним из видов теплового движения слабо связанных ионов является их переброс из узлов решетки в ва­кансии.

В отсутствие электрического поля слабо связанные ионы, со­ тая тепловые колебания, временах ~ «» ~—-— «явновесного положения в другое. При

шихся в одном направлении, будет равно числу ионов, перемес-

пщая тепловые колебания, временами перескакивают из одного вновесного положения в другое. При этом число ионов, перемес­тившихся в одном направлении, б; тившихся в обратном направлении. Если к диэлектрику приложить

электрическое поле, то переброс слабо связанных ионов приобретет направленный характер: положительные ионы начнут перемещаться по полю, а отрицательные — против поля. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся сво­бодными и, следовательно, не обусловливают электропроводности. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные за­ряды, которые обусловливают ионно-релаксационную поляризацию. Поляризуемость а_ир, присущая этому виду поляризации, в первом приближении равна а_ир = q 2 A 2 /l2kT, где q — заряд иона; А — рас­стояние, на которое в среднем перемещаются ионы. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам рав­новесия (обычно к новым).

Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диапазоне частот от постоянного напряжения до 10 6 —10 10 Гц. С увеличением температуры ионно-релаксационная поляризуемость ир нелинейно возрастает (см. рис. 2.7, 1) в результате ослабления связи между ио­нами и, главным образом, увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается только в ди­электриках молекулярного строения (газообразных, жидких и твер­дых) полярных, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых в отсут­ствие внешнего поля имеют постоянный дипольный момент ц (например, в полихлордифениле, канифоли, ПВХ и т.п.). Соответст­вующая поляризуемость а_др описывается формулой а_др = \х г /(ЪкТ).

Дипольно-релаксационная поляризация заключается в том, что под действием внешнего электрического поля становится более упо­рядоченным положение полярных молекул (диполей), непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение (рис. 2.9). Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного на­пряжения. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в на-Равлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость а_др возрастает (рис. 2.10, участок 1-2). Однако с по-‘Шением температуры возрастает и энергия хаотического теплового ижения диполей, и выше некоторой температуры Т_м дезориенти-УЮщее действие теплового движения начинает преобладать над _н^? енти РУющим действием электрического поля. Поэтому при даль-₃ Шем нагревании (при Т> Т_и) дипольно-релаксационная поляри-

мость а_др уменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагрева-_Сн % возрастает, проходит через температурный максимум и далее

Рис. 2.9. Схематическое изображение Рис. 2.10. Зависимость дипольно-релак-дипольно-релаксационной поляризации сационной поляризуемости а_др от тем­пературы Т

Положение температурного максимума дипольно-релаксаци­онной поляризуемости а_др с увеличением частоты напряжения сме­щается в область более высоких температур (возрастает Т_ы).

Дипольно-релаксационная поляризация имеет место в полярных диэлектриках, находящихся в газообразном, жидком или твердом аморфном состоянии. В диэлек­триках кристаллических ос,™ может наблюдаться только при температурах выше темпе­ратуры плавления. При Т_пл в кристаллах диполи настолько прочно закреплены на своих местах, что ориентация их в электрическом поле затруднена и поэтому а_др не наблюдается в обычном виде. В кристаллических телах с неплотной упаковкой молекул (например, у льда — лед плавает в воде) а_др наблюдается. Дипольно-релак­сационная поляризация существует также в кристаллизующихся полимерах за счет ре­лаксации сегментов в аморфных областях и полярных групп.

Продолжительность установления дипольно-релаксационной по­ляризации называется временем релаксации т диэлектрика и опреде­ляется из формулы

где т₀ — период теплового колебания молекулы; fV_p — энергия акти-1 вации процесса релаксации. ‘

Если т больше, чем время полупериода приложенного перемен­ного напряжения, то диполи не успевают ориентироваться вслед за изменяющимся полем, и дипольно-релаксационная поляризация соответственно не наблюдается (подробно см. гл. 4.3.2.). Так как т₀ полярных диэлектриков обычно имеет значение 10~ 6 — 10~ 1О с, то ди­польно-релаксационная поляризация проявляется только на часто­тах ниже 10 6 —10 10 Гц. При более строгом определении под т следует понимать время, в течение которого после внезапного снятия внеш­него поля электрический момент единицы объема диэлектрика уменьшается в е (~2,7) раз.

В полимерах в результате особенностей их строения и поведения в электрическом поле дипольно-релаксационная поляризация мо­ жет проявляться в виде двух основных разновидностей: дипольно- сегментальной и дипольно-групповой. я,

Дипольно-сегментальная поляризация обусловлена подвижностью гментов — отрезков молекулярных цепей, состоящих из десятков и се ‘_е сотен и тысяч химических звеньев, и заключается в создании д _еКТрическим полем некоторой упорядоченности в положении сег­ментов, непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение. Этот вид поляризации наблюдается при температурах выше темпера­туры стеклования Т_с в полимерах как полярных, так и неполярных; у последних — в результате наличия дефектов в молекулярных цепях (карбонильных групп, ответвлений цепей и т.п.). Дипольно-сегментальная поляризация имеет место в аморфных полимерах, а У кристаллизующихся — в аморфных областях, в результате сегмен­тального движения в длинных петлях, свободных концах и проход­ных макромолекулах (см. рис. 1.12, 2).

Дипольно-групповая поляризация наблюдается в полярных полиме­рах и обусловлена ориентацией полярных групп и боковых ответвле­ний молекулярных цепей под действием приложенного напряжения. Под полярными группами понимают атомы или группы атомов: — С1, -F, -ОН, >СО, -СОН, -СООН, -NH₂, -NO₂ -О-О- и т.п., -имеющие неуравновешенную ковалентную полярную связь и вызы­вающие возникновение дипольного момента в макромолекулах по­лимеров. Боковые ответвления участвуют в поляризации, так как имеющиеся концевые метальные группы —СН₃ обладают дипольным моментом (см. табл. 1.2). Время релаксации т полярных групп и боко­вых ответвлений меньше т сегментов, поэтому они сохраняют под­вижность при температурах, ниже температуры стеклования T_Q, когда сегментальное движение отсутствует. В результате меньшего значения т дипольно-групповая поляризация проявляется при более высоких частотах, чем дипольно-сегментальная, поэтому эти виды поляризации иногда называют соответственно высокочастотной и низкочастотной. Характер зависимости поляризуемостей дипольно-сегментальной (а_дс) и дипольно-групповой (а_дг) от температуры и частоты приложенного напряжения такой же, как и у дипольно-Релаксационной поляризуемости а , разновидностью которой они являются.

С увеличением частоты напряжения максимум а_дг более интен­сивно смещается в сторону высоких температур, чем максимум а_лс. Поэтому в области высоких температур (сверхвысоких частот) мак­симумы а_дг и а_дс сближаются вплотную, и на кривых г(Т), е(/) будет Роявляться один релаксационный максимум.

Миграционная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с

ак Роскопически неоднородной структурой (например, в слоистых

_л^ ериалах ), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и по-

УПроводящие включения (например, поры, заполненные влагой).

сто ВНесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слои-

_Эл е Ст Роение (например, гетинакс, текстолит), в результате разной

_Пр ^Ропроводности различных слоев, на границе их раздела и в

д_в Эле ктродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно

^УЩихся ионов, и возникнет межслойная поляризация. Аналогич-

Рис. 2.11. Модель миграционной поляризации

ная картина имеет место в поликристаллических телах, когда на гра­ницах кристаллитов (зерен) образуются пространственные заряды (рис. 2.11). Перемещение электронов и ионов в пределах каждого проводящего и полупроводящего включения под действием прило­женного поля образует большие поляризационные области, Межслойная поляризация и образовавшиеся поляризационные области и обусловливают миграционную поляризацию.

У миграционной поляризуемости а_м время релаксации т до­вольно большое, поэтому соответствующая ей поляризация прояв­ляется на весьма низких частотах (до 0,5 кГц) и вызывает у мате­риала увеличение диэлектрической проницаемости и особенно диэлектрических потерь tg5. С уменьшением частоты напряжения, а также с увеличением температуры а_м возрастает. Увлажнение ди­электрика приводит к существенному возрастанию его емкости на низких частотах (например, 2 Гц) в результате возникновения и роста миграционной поляризации. Путем измерения значений ем­кости электроизоляционных конструкций на различных частотах (или при различных температурах) можно определить степень их увлажнения.

На частотах в несколько герц и при постоянном напряжении миграционная по­ляризация сильно возрастает, и значения е и С изоляции достигают больших значе­ний. На этом принципе основан метод диагностики степени увлажненности изоля­ции различных электротехнических изделий (кабелей, сухих и маслонаполненньв трансформаторов и т.д.). Согласно этому методу, емкость изделий измеряют, напри­мер, на частотах 2 и 50 Гц и находят соответственно емкости Cj/C^. Установлено, что у сухой изоляции C₂/C_so близко к единице (меньше 1,2). Если С₂/С₅₀ > (1,2—1,3). значит изоляция увлажнена, и требуется ее сушка. Отношение С₂/С₅о зависит от тем­пературы: с понижением температуры — уменьшается. Поэтому измерение значений С₂ и С₅о нужно производить при 20°С. Если измерить емкость на частоте 50 Гц пр* 20’С (С₂₀) и 70°С (С₇₀), то по отношению С_7О/С₂о можно судить о степени увлажне­ния. У относительно сухой изоляции отношение С₇₀/С_м 2 1,1, а у недопустимо S* лажненной — >1,1.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбУ’ жденных тепловой энергией избыточных электронов или дырок, рас положенных на дефектах. В некоторых диэлектриках электроны СП»‘ собны перемещаться вблизи дефектов (с которыми они связаны) $ расстояния, равные одному или нескольким межатомным расстоЯ’ ниям. Этот вид поляризации обычно наблюдается в диэлектриках’ большим внутренним полем и электронной проводимостью (напри’ мер, у многих видов титаносодержащей керамики). У диэлектрик^

лектронно-релаксационной поляризуемостью ос_эр и соответствую- С им видом поляризации диэлектрическая проницаемость обыч-

имеет высокое значение, которое уменьшается с увеличением н _тоТЫ напряжения. На температурной зависимости проявляется максимум.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только в нелинейных диэлектриках — сегнетоэлектриках и рассматривается в

Резонансная поляризация наблюдается в диэлектриках в области

СВЧ и оптических частот, когда частота приложенного поля совпа­дает с одной из частот собственных колебаний молекул, атомов, образующих молекулы, их валентных электронов. При резонансе сильно возрастает поглощение энергии, распространяемой электро­магнитной волной. Резонансная поляризация имеет большое значе­ние для теории и практики распространения радиоволн в диапазоне СВЧ и оптических частот. В результате резонансной поляриза­ции молекул кислорода и водяных паров на некоторых дискрет­ных частотах в области от 10 10 до 10 15 Гц наблюдается сильное зату­хание распространяющейся радиоволны вследствие поглощения ее энергии.

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

• Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связана с потерями.
• Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10−13 с, без потерь.
• Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
• Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
• Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
• Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
• Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря наличию этого типа поляризации в диэлектрике проявляются нелинейность свойств, то есть явлениегистерезиса. Отличается очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10−2)
• Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
• Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков имеет максимальное значение в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости. (3) Поляризация при отражении и преломлении Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказывают частично поляризован-ными. Причем, при отражении от проводящей поверхности (например, от поверхности металла) получается эллиптически-поляризованный свет. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 6.2 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изображены двусторон-ними стрелками). Степень поляриза-ции зависит от угла падения. 68) Вращение плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации света, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество Вращение плоскости поляризации наблюдается в средах, обладающих двойным круговым лучепреломлением, т. е. различными показателями преломления для право- и левополяризованных по кругу лучей. Линейно поляризованный пучок света можно представить как результат сложения двух лучей, распространяющихся в одном направлении и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения. Если такие два луча распространяются в теле с различными скоростями, то это приводит к повороту плоскости поляризации суммарного луча. Вращение плоскости поляризации может быть обусловлено либо особенностями внутренней структуры вещества, либо внешним полем. Вращение плоскости поляризации наблюдается, как правило, в оптически изотропных телах (кубические жидкости, растворы и газы). Явлением Вращение плоскости поляризации пользуются для исследования структуры вещества и определения концентрации оптически-активных молекул (например, в растворах, а также в ряде оптических приборов (оптические модуляторы, затворы, вентили, квантовые гироскопы и т.п.). 55.Решение волнового уравнения. Плоская электромагнитная волна. (2) Плоская электромагнитная волна — электромагнитная волна, в которой всем точкам, лежащим в любой плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения, соответствуют одинаковые напряженности электрических или магнитных полей. 56.Опыты по получению электромагнитного излучения. Опыты Лебедева. Теория Максвелла не только предсказала существование электромагнитных волн, но и указала условия, необходимые для успеха опытов: достаточно высокая частота электрических колебаний и открытая форма цепи. Герц, предпринимая в 1888 г. свои известные опыты, постарался выполнить эти условия: он заменил колебательный контур прямолинейным вибратором. Для возбуждения электрических колебаний в то время был известен только один способ — искровой разряд. На рис. 122 изображена схема соответствующего устройства (вибратор Герца). Вибратор 1 имеет посередине разрыв 2 — искровой промежуток, к концам которого подводится напряжение от повышающего трансформатора. Указанная схема вполне аналогична схеме на рис. 51, рассмотренной в § 28, только вместо замкнутого контура с конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение. Возбуждение же колебаний в этой цепи происходит совершенно так же, как описано в § 28, так что в вибраторе возникают регулярно повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих колебаний (рис. 52). Период этих колебаний и, следовательно, длина излучаемых электромагнитных волн задаются размерами вибратора (§ 56) Рис. 123. Приемные вибратор и виток для опытов Герца Для обнаружения волн Герц использовал второй вибратор с гораздо меньшей длиной искрового промежутка (доли миллиметра вместо 7,5 мм в излучающем вибраторе). Кроме такого приемного вибратора, применялся и Приемный виток, согнутый из проволоки в виде прямоугольника и тоже прерванный очень малым искровым промежутком (рис. 123). Под действием электромагнитной волны в этих приемниках возникают вынужденные колебания. Если приемники (вибратор или виток) настроены в резонанс на частоту излучателя, то при определенных условиях, которые мы рассмотрим дальше (§ 59), в их Искровых промежутках проскакивают очень маленькие и слабые искорки. Наблюдая появление или отсутствие таких искорок при различных условиях излучения и распространения волн, а также при различных расположениях приемников, можно было судить о свойствах наблюдаемых волн. О трудности этих опытов говорит, например, то, что искорки в приемниках большей частью можно было видеть только В темноте и неутомленным глазом. В своих опытах Герц осуществил получение электромагнитных волн и сумел воспроизвести с этими волнами все явления, типичные для любых волн: образование «тени» позади хорошо отражающих (металлических) предметов, Отражение от металлических листов, преломление в большой призме, сделанной из асфальта, образование стоячей волны в результате интерференции волны, падающей отвесно на металлический лист, со встречной волной, отраженной этим листом. Было исследовано также направление векторов Е и В электрического и магнитного полей б электромагнитных волнах; оказалось, что электромагнитные волны имеют такие же свойства, какие были известны у световых волн (поляризация, § 59). Таким образом, опыты Герца подвели прочную основу под теорию Максвелла: электромагнитные волны, предсказанные максвелловской теорией (§ 55), оказались реализованными на опыте. Выдающегося успеха в исследовании электромагнитных волн достиг русский физик Петр Николаевич Лебедев (1866—1912). В 1895 г. он получил с помощью вибраторов миллиметровых размеров волны длиной 6 мм, которые, как сам он писал, «. были ближе к более длинным волнам теплового спектра, чем к электрическим волнам, которыми вначале пользовался Герц. ». Вся аппаратура, собственноручно сделанная Лебедевым для этих опытов, в особенности приемный вибратор, состоящий из двух кусочков проволоки длиной 3 мм с микроскопическим термоэлементом, впаянным между ними, представляет собой замечательный образец экспериментального искусства. Некоторые . оригинальные приборы Лебедева изображены на рис. 124. 59.Свойства световой волны. Явление дисперсии. Поляризация. Поляризация. Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное[источник не указан 328 дней] электромагнитное излучение может иметь: Эллипс поляризацииЛинейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны; Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции; Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями. Некогерентное излучение может быть не поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным.При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Похожие публикации:

1. Изолятор опорный что это такое
2. Кабель тппэп как определить длину
3. Как проверить ne555 на работоспособность мультиметром
4. Что делать если бьет током