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電磁気学C Electromagnetics C 6/1講義分 電磁波の反射と透過 山田 博仁 異なる媒質の界面における境界条件 誘電率 e1, e2 の異なる媒質が接している界面 界面には真電荷が面密度 e にて存在 界面での電束密度 D に対して、どのよう な条件が満たされなければならないか? 電場に関するGaussの法則を、界面に 存在する高さが無限小の円柱に適用 div D dV V D n dS S e 5.3 (教科書p.64) の復習 単位法線ベクトル 界面 D n S 界面での 1 真電荷密度 e1 e + + + + + + e+2 D2 -n dS S Gaussの定理 従って、 ( D1 D 2 ) n S e S 上式は、任意の面 S に対して成り立つことから、 ( D1 D 2 ) n e 表面電荷 e が存在しなければ、 D 1 n D 2 n 異なる媒質の界面における境界条件 誘電率 e1, e2 の異なる媒質が接している界面 界面での電場 E に対して、どのような条 件が満たされなければならないか? Faradayの電磁誘導の法則を、図のように 界面の一部を囲む高さ h が無限小の長 方形 S に適用 rot E d S S S B t 界面 l t e1 e2 E1 h CE t 2 S t: 単位接線ベクトル dS ここで、B/t は境界面の近くで有限であるから、S→0の極限で右辺の積分は ゼロになる 従って、Stokesの定理を用いると左辺は、 rot E d S E d r ( E S 1 t E 2 t )l C 従って、 ( E 1 t E 2 t ) l 0 上式は、任意の l の長方形に対して成り立つことから、 E 1 t E 2 t 異なる媒質の界面における境界条件 9.4 (教科書p.146) の復習 透磁率 m1, m2 の異なる媒質が接している界面 単位法線ベクトル 界面 B n S 界面での磁束密度 B に対して、どのよう な条件が満たされなければならないか? 磁場に関するGaussの法則を、界面に 存在する高さが無限小の円柱に適用 div B dV V B n dS m1 m2 0 S Gaussの定理 従って、 ( B 1 B 2 ) n S 0 上式は、任意の面 S に対して成りたつことから、 ( B1 B 2 ) n 0 よって、 B1 n B 2 n 1 -n B2 異なる媒質の界面における境界条件 透磁率 m1, m2 の異なる媒質が接している界面 界面には伝導電流が面密度 ie にて存在 界面 l t 界面での磁場 H に対して、どのような 条件が満たされなければならないか? m1 m2 Ampere-Maxwellの方程式を、図のように 界面の一部を囲む高さ h が無限小の長 方形 S に適用 rot H d S S S D t dS i e C H2 t ie: 界面での 伝導電流密度 H1 ie h S t: 単位接線ベクトル dS S ここで、界面に表面電流が存在しない限り、ie も D/t も境界面の近くで有限で あるから、S→0の極限で右辺はゼロになる 従って、Stokesの定理を用いると左辺は、 rot H d S H d r ( H S 従って、 C H1 t H 2 t 1 t H 2 t )l 異なる媒質の界面における境界条件 電束密度の法線成分は連続 電場の接線成分は連続 E1 t E 2 t e1 e2 E1 t D1 n D 2 n E1 E2 e1 e2 D2 n E2 t m1 m2 H1 t D1 n D2 磁束密度の法線成分は連続 磁場の接線成分は連続 H1 t H 2 t D1 表面電荷が 存在しない場合 表面電流が 存在しない場合 H1 H2 H 2 t B1 n B 2 n m1 m2 B1 B2 n B1 n B2 界面での反射と透過 2種類の媒質が xy 平面 (z = 0) を 境に接しており、 z>0 を媒質Ⅰが、 z<0 を媒質Ⅱが満たしている。平 面電磁波が媒質Ⅰから媒質Ⅱに 入射角 qi で斜め入射し、その一 部が反射角 qr で反射され、また その一部が透過角 qt で媒質Ⅱ 内に透過する場合を考える。 入射波、反射波および透過波の波 数ベクトルと角周波数をそれぞれ (ki, i), (kr, r) および (kt, t) とし、 電場は xy 平面上に、磁場は y 成 分のみとする。 z Er Hi Ei 媒質Ⅰ 媒質Ⅱ 波の位相 入射波 k i r i t k i sin q i x k i cos q i z i t 反射波 k r r r t k r sin q r x k r cos q r z r t 透過波 k t r t t k t sin q t x k t cos q t z t t qi qr ki kr Hr x y kt qt Et Ht 界面での反射と透過 境界面 (z = 0) 上の全ての点で、任意の時刻に波の位相が等しくなるので、 i r t この条件が成立しなければならない k i sin q i k r sin q r k t sin q t k v r i の関係より、媒質Ⅰ内で電磁波の速度 v1 は入射波、反射波に共通なので、 ならば、 k r k i 従って、 q r q i sin q i sin q t ki (反射の法則) kt ki v1 v2 v1 (Snellの法則) v1 と v2 は、それぞれ媒質Ⅰ、Ⅱ 内を進む電磁波の速度 qi qr kr 媒質Ⅰ 媒質Ⅱ v2 qt kt 界面での反射と透過 E と H の接線成分の連続性より、 入射波 qr qi z E i ( E ix , 0 , E iz ) ( E i cos q i , 0 , E i sin q i ) Hi E H i ( 0 , H iy , 0 ) 0 , i , 0 Z1 反射波 E r ( E rx , 0 , E rz ) ( E r cos q r , 0 , E r sin q r ) Er Ei 媒質Ⅰ 媒質Ⅱ E H r ( 0 , H ry , 0 ) 0 , r , 0 Z1 透過波 E t ( E tx , 0 , E tz ) ( E t cos q t , 0 , E t sin q t ) E H t ( 0 , H ty , 0 ) 0 , t , 0 Z2 Z1, Z2は、それぞれ媒質1, 2の電磁インピーダンス qi qr ki y Hr kr x kt qt Ht Et 界面での反射と透過 次に、電磁波の振幅について考えると、界面での電場 E および磁場 H の接線成分 の連続性より、 E ix E rx E tx H iy H ry H ty 従って、 E i cos q i E r cos q r E t cos q t Ei Z1 Er Z1 Et Z2 E i cos q i E r cos q i E t cos q t Z 2 Ei Z 2 Er Z1Et 上式から Et を消去すると、 r Er Ei Z 2 cos q t Z 1 cos q i Z 1 cos q i Z 2 cos q t (電界反射係数) 上式から Er を消去すると、 t Et Ei 2 Z 2 cos q i Z 1 cos q i Z 2 cos q t (電界透過係数) 界面での反射と透過 因みに、磁界に対する反射係数および透過係数を求めてみると、 Er Hr Et Z1 Ei Hi Er Ht r Ei Z1 Hi Z2 Ei Z1 Z1 Et Z 2 Ei Z1 t Z2 媒質の屈折率 n は、真空中での光の速度 c と媒質中での光の速度 v の比で表され、 n c 1 v 1 e 0m0 em em e 0m0 e re 0 m r m 0 e 0m0 ermr 特に、媒質1と2が非磁性の場合には m1 = m2 = m0 が成り立ち、それぞれの媒質の 屈折率は真空の固有インピーダンス Z0 を用いて、 n1 c v1 e r1 m0 e0 m1 e 1 Z0 Z1 n2 c v2 e r2 m0 e 0 m2 e2 従って、反射係数と透過係数は、 r n1 cos q t n 2 cos q i n1 cos q t n 2 cos q i t 2 n1 cos q i n1 cos q t n 2 cos q i Z0 Z2 と表せる。 界面での反射と透過 垂直入射の場合には、qi = qt = 0 とすることにより反射係数と透過係数は、 r n1 n 2 t n1 n 2 i 2 n1 r n1 n 2 n1 入射波のエネルギー流に対する反射波と透過波のエネルギー流の 比をそれぞれ反射率 R および透過率 T という。 n2 t 入射波、反射波、透過波のエネルギー流はそれぞれ、 E i H i cos q i E i Ei Z1 E i cos q i 2 cos q i Z1 2 Er Er cos q r E r H r cos q r E r cos q r Z Z 1 1 入射波 Z1 E t H t cos q t E t Et Z2 cos q t E Z2 cos q t qi qr 媒質Ⅰ 媒質Ⅱ Z2 2 t 反射波 qt 透過波 界面での反射と透過 従って、反射率 R と透過率 T は、 R T E r H r cos q r E i H i cos q i E t H t cos q t E i H i cos q i E r cos q r / Z 1 2 E i cos q i / Z 1 2 E cos q t / Z 2 2 t 2 i E cos q i / Z 1 2 2 Er 2 Ei Er r qi qr 2 Ei Z 1 cos q t E t Z 2 cos q i E i 2 Z 1 cos q t Z 2 cos q i t 2 T 1 R 屈折率 n1, n2 で表せば、反射率 R と透過率 T は、 R n1 cos q t n 2 cos q i 2 n1 cos q t n 2 cos q i 2 T 4 n1 n 2 cos q i cos q t n1 cos q t n 2 cos q i 2 完全導体による電磁波の反射 導電率 = ∞ の完全導体による電磁波の反射 完全導体の中には変動電磁場は全く浸透できないため、表面における電磁波の 境界条件は、 電場の法線成 E t 0 電場 E 導体表面に 分 Et は必ずし 電荷が現れる B n 0 もゼロではない 場合がある En ≠ 0 完全導体 =∞ E=0 界面での電場の 接線成分 Et はゼロ 磁場の接線成 導体表面に 電流が流れる 分 Ht は必ずし もゼロではない 場合がある Ht ≠ 0 完全導体 変動磁場 B 0 静磁場 B0 0 完全導体 静磁場に対 しては必ずし もゼロでない E=0 磁場の法線成 分 Bn はゼロ Bn = 0 完全導体 変動磁場 静磁場 B 0 B0 0 完全導体による電磁波の反射 z < 0 の領域を固有インピーダンス Z の媒質が占め、x, y (z = 0) 平面を境にして z > 0 の領域の完全導体と接しているとする。さらに、電磁波は x 方向に偏光し た正弦波とし、その角周波数を とする。媒質中 (z < 0) から導体界面に対して 垂直に入射した場合を考え、電場と磁場を入射波と反射波の和として表せば、 E x E ix E rx E i 0 cos( kz t ) E r 0 cos( kz t ) H y H iy H ry k em 1 Z E i 0 cos( kz t ) E r 0 cos( kz t ) x 媒質: Z Eix Hiy 入射波 は電磁波の波数 反射波 0 完全導体中への透過波は存在しないため、導体表面で Hry Erx Ex = 0 であり、 Ei0 Er 0 0 従って、媒質中の電磁場は、 E x E i 0 cos( kz t ) E i 0 cos( kz t ) 2 E i 0 sin kz sin t H y 1 Z E i 0 cos( kz t ) E i 0 cos( kz t ) 完全導体 2 Z E i 0 cos kz cos t z 完全導体による電磁波の反射 反射端(導体表面) l 入射波 反射波 定在波 定在波の腹の位置 定在波の節の位置 出展: http://www8.plala.or.jp/ap2/chishiki/teizaiha.html 電場の節は、kz = np (n は整数)の関係から求められ、 z np l n k 2 (n は整数) となる。同様にして、磁界の節は kz = (n+1/2)p より、 1 l z n 2 2 (n は整数) ベクトル解析の復習 重要なベクトル恒等式 ラプラシアン rot grad ( ) 0 div rot E ( E ) 0 div grad ( ) 2 ( ) E E ( スカラー場 ) rot rot E ( E ) ( E ) E x 2 V n x 2 y 2 2 y 2 1 2 c t 2 2 F d r ( F ) n dS C S F dS 2 ストークスの定理 F n dS F dV S 2 ガウスの定理 2 S V 2 z 2 2 ダランベルシアン □ ( ベクトル場 ) n F S dS C dr z 2 1 2 c t 2 2 ベクトル解析の復習 演算子∇(ナブラ)とラプラシアンの意味 , , x y z 2 2 2 2 2 2 x y z 勾配(gradient) ( x ) ( x ) ( x ) ( x ) ( x ) ( x ) grad ( x ) ( x ) , , ex ey ez y z x y z x 発散(divergence) div E ( x ) E ( x ) E x ( x ) x E y ( x ) y E z ( x ) z ナブラ∇とE(x)のスカラー積 スカラー積(内積) A B Ax B x A y B y Az B z ベクトル解析の復習 回転(rotation) rot E ( x ) E ( x ) ex ey ez x Ex(x) y E y (x) z Ez (x) E z ( x ) E y ( x ) E y ( x ) E x ( x ) E x ( x ) E z ( x ) e x e z e y z x y z y x ナブラ∇とE(x)のベクトル積 ベクトル積(外積) ex ey ez A B Ax Ay A z A y B z A z B y e x A z B x A x B z e y A x B y A y B x e z Bx By Bz