基本介紹
- 中文名：電磁波在各向異性媒質中的傳播
- 分類：物理
電磁波在各向異性媒質中傳播與在各向同性媒質中的傳播有顯著的區別。電磁波在各向異性媒質中傳播的特點，表現在光線通過晶體時發生的雙折射現象，這早已為人們所知。M.法拉第曾發現，光通過放在恆磁場中的媒質時，光的偏振面會發生旋轉。J.C.麥克斯韋在論證了光是電磁波以後，也曾在理論上分析過電磁波在各向異性媒質中傳播的特性。現代，與各向異性媒質中波的傳播特性有關的學科，在光學中有晶體光學，在電漿物理學和電波傳播學科中研究電磁波在磁化電漿中的傳播，在微波技術中研究並套用電磁波在磁化鐵氧體中的傳播，等等。各向異性媒質的本構關係 這個關係可用矩陣表示。當媒質是線性無損的，可分為三種情形:①[Di]=[εij]·[Ej]而[Bi]＝μ[Hi]，並且εij＝εji，或[D]i＝ε[Ei]而[Bi]=[μij]·[Hj]，並且μij＝μji，這些εij或μij都是實數。在這種媒質中，如有兩個場(以角標(1)、(2)區別之)。它們仍能符合E(1)·D(2)=E(2)·D(1)和H(1)·B(2)=H(2)·B(1)的關係，因而倒易原理仍然成立，這種媒質是倒易性的。②雖然仍有電或磁一方面各向異性，但是εij＝εji*或μij=μji*，對於ij，εij或μij是複數，這時倒易原理不再成立。以[εij]為例，可以寫成[εij]=[ε]+j[gij]，其中[ε]是實對稱矩陣。[gij]是實反對稱矩陣。[gij]·[Ej]所代表的矢量與E正交，這種媒質稱為旋性媒質。③B和D的分量都同時是E和H的分量的齊次線性函式，[Di]=[εij]·[Ej]+[ξij]·[Hj]、[Bi]＝[μij]·[Hj]+[ηij]·[Ej]，這是雙各向異性媒質。電磁波在倒易性各向異性媒質中的傳播 倒易性各向異性電介質包括各種晶體。有些各向同性媒質在一定強度的恆電場作用下也能成為各向異性電介質（稱為克爾效應）；有些彈性體在發生應變時，也會成為各向異性電介質；在液體中有非球形懸浮質點，而液體的流速不均勻時，這液體也可能成為各向異性電介質（稱為麥克斯韋效應），它們都是倒易性的。倒易性電介質在適當選擇的正交坐標系中，其介電常數矩陣成為對角矩陣，其主對角線元素稱為介電常數的主值，此坐標軸稱為介質的主軸。三個主值相等的介質稱為立方介質，與各向同性一樣，任何三個正交方向都可以作為主軸，立方晶系就是如此。有兩個主值相等的介質稱為單軸介質，與單獨的主值相應的主軸稱為光軸，在光軸的法平面內的任何一對正交直線都可以作為與一對重值主值相應的主軸，六角、三角和四角晶系都屬於這一類。三個主值都不相等的介質稱為雙軸介質，正交、單斜和三斜晶系都屬於這一類。主軸可能不與晶體的對稱軸相合，主軸的方向也可能隨頻率而變。均勻平面電磁波在倒易性各向異性電介質中，①D、H與波矢k互相正交，因為在一般情形，D與E不同向，所以E的縱分量不為零。②對於任一傳播方向，有兩個相應的相速vφ。所以說，沿著每一個傳播方向可能存在兩個相速不同的波，它們各自獨立傳播，這兩個波的相速還因傳播方向而改變，它們的強度則決定於激勵條件。③能流的方向與傳播方向不同，而且傳遞速度高於相速，只在波沿主軸傳播時二者才相同。能量傳遞速度稱為射線速度。由於麥克斯韋方程組的對偶性，電磁波在倒易性各向異性磁介質中的傳播特性與各向異性電介質中的情形類似。電磁波在旋性媒質中的傳播 典型的旋性媒質是恆磁場作用下的冷電漿(磁旋性電介質)和鐵氧體（磁旋性磁介質），有的晶體，例如石英，是自然的旋性電介質。在磁旋性電介質中，沿著同一個方向仍可傳播兩個相速不同的波，波的D的端點軌跡是長、短軸互相交錯而旋轉方向相反的兩個橢圓。當波沿均勻恆磁場的力線傳播時，這軌跡成為圓。如果兩個波的圓半徑相等，在任何空間位置上，兩個波的電位移矢量D的和仍然在一條直線段上振動。波的傳播路程中，總電位移D的偏振面逐點轉變。H和E的頂點軌跡也是如此，這就是法拉第偏振旋轉，這偏轉的方向與傳播方向無關，因而是不可逆的。至於能流的方向，不但與傳播方向不同，而且是隨時改變的。瞬時的能量傳遞速度在這裡沒有意義。磁旋性磁介質中電磁波的傳播特性可由磁旋性電介質類推。電磁波在磁旋性媒質中的不可逆傳播特性在技術上有相當廣泛的套用，恆磁化鐵氧體元件在微波技術中用途甚廣。電磁波在雙各向異性媒質中的傳播 這種媒質的存在是Л.Д.朗道、E.M.栗弗席茲等人在1959～1960年間預言的，Д.H.阿斯特羅夫在當時找到了這種材料。現在所知，具有這種性質的媒質限於某些反鐵磁性和鐵磁性晶體。其分析比較複雜。如果四個參量矩陣可以同時對角化，在這種媒質中可能發生可逆的偏振旋轉現象。線偏振的均勻平面波沿著一條主軸傳播時，其偏振面沿途旋轉，類似於法拉第旋轉。但是，旋轉方向與傳播方向之間的相對關係是恆定的。
