电磁波与偏振要点

電磁波與偏振

17.1 電磁波的傳播

機械波是粒子的振動，需要介質作傳播。但是，電磁波是電場和磁場的振動，可通過真空。 電磁學的理論指出電荷加速會發出電磁波。

而另一種產生電磁波的方法是通過受激原子或分子的電子躍遷。 電磁波的傳播 如圖所示，標示著E 的線是電力線，而標示著B 的線是磁通量線。 平面正弦電磁波沿x -方向移動，如圖所示。

此波動的電場E 和磁場B 的方程分別是 E y = E y 0 sin(ωt - kx ) 和 B z = B z 0 sin(ωt - kx )

電磁波的傳播方向以矢量 P 表示，而且

B E k P

⨯=

E

= 電磁波的電場強度矢量 B

= 電磁波的磁場通量密度矢量 k = 取決於介質的恆量 P

= 波因亭矢量，即通過每單位面積的輻射功率

(能量流向矢量)

17.2 電磁波譜

下圖是整個電磁波譜。

20

14

Hz 頻率

10

20

8

16

6

12

4

1010波長m

10101010101010

電磁波譜成員的一些資料和應用

無線電波：

通訊、無線電廣播

圖中的設置可以產生無線電波。一般只顯示電場的振動。 振盪的電勢令天線內的電子上下振動。

當發出的無線電波與電子振動垂直時，波振幅A 會最大。而其他的方向，波振幅將會是A cos θ。

微波：

雷達、(衛星)通訊、煮食 微波發射器、微波接收器

紅外線：

遙控器、焗爐、焗乾油漆、航海通訊和溫室。 光電晶體管(紅外線接收器)

發熱的物體會產生紅外線。紅外線又可稱為熱幅射。

可見光：

人眼能看見的範圍。

紫外線： 檢驗紙幣，亦能令螢光物質發亮、皮膚曬黑。

這是由受激原子或分子發射。

大部份由太陽發射的紫外線會被臭氧層吸收。因此，臭氧層保護我們暴露在此有害輻射之下，防止皮膚癌的出現。 非常熱的物體會產生紫外線。紫外線探測器

X-射線：

醫療上的應用(容後) X-射線管、照相底片

γ 射線：

放射治療

這是由不穩定的 原子核 發射出來。(容後) 照相底片

電振動器天線

電磁波的共通特性

各電磁波都能通過真空。

各電磁波在真空中的速率是c = 3⨯108 m s -1 而且λf c =。 各電磁波是橫波而會偏振。

17.3 偏振

圖中是一個沿x -方向移動的橫波，其干擾可以在y -z 平面的任何方向振動。

振動面的俯視圖

若波動的干擾在各方向均相等或完全隨機，我們稱之為非偏振波。

部份偏振波是指波動的干擾會在某一方向特別強，而垂直此方向則特別弱。

偏振波是指波動的干擾只會在某一方向進行。 偏振「即偏振的狀況」只會在橫波情況下發生。縱波是不會進行偏振。

17.3 光的偏振

用電場表示光的偏振方向。

❒ 例17-1

水平偏振波 這波動的干擾是在水平方向出現。 繪畫一由天線產生的水平偏振波，並且沿x -軸移動。

解

天線應沿z 軸放置。

❑

振動方向 前進方向

y z

x

y

z

x x

y

傳播方向

z E

z-偏振波

B

E

共有三種方法令非偏振光變成偏振光： 選擇吸收、反射和散射

選擇吸收產生偏振

偏振片「或偏振器」是一塊晶體。

它讓某一個特定平面內的光振動即電場振動透射，但吸收在與上述平面垂直的平面內的振動。

分辨不同類型的偏振的實驗

如圖設置

透過偏振片觀察光源。

在偏振片的平面上轉動偏振片 360o 。 觀察透過偏振片的亮度變化。

結果和結論

倘亮度保持不變，光源發出非偏振光。 倘亮度變暗兩次，光源發出部份偏振光。 倘亮度有兩次完全消失，光源發出面偏振光。

理論 偏振片內的分子是長鏈狀。

當非偏振光通過、例如鉛直長鏈分子後，垂直方向的電場會將鏈狀分子內的電子振動並因此被吸收。

但是因為電子不可能在相鄰鏈狀分子之間移動，所以通過的光會變成水平偏振。 在首個實驗中，不論哪一個方向的電場被吸收了，餘下電場的強度均是相同。因此，當轉動偏振片時， 亮度保持不變。 在第二個實驗中，倘強度最強的電場被吸收了，餘下電場的強度將最弱；相反地，倘倘強度最弱的電場被吸收了，餘下電場的強度將最強。因此，當轉動偏振片360o 時，亮度變暗兩次。 在最後一個實驗中，當惟一方向的電場被吸收後，所有光將被阻隔。 因此，亮度有兩次完全消失。

光源

偏振片

觀察者

微波偏振的示範實驗

如圖設置實驗。

啟動微波發射器。觀察檢流計讀數。

將發射器沿其中軸轉動 90o 。觀察檢流計讀數。

結果和結論

當發射器轉動 90o 後，檢流計讀數下降至零。 發射器產生的微波是面偏振波。

跟著放置一塊金屬柵在發射器和接收器中間，如圖所示。觀察檢流計讀數。 將發射器沿其中軸轉動 90o 。觀察檢流計讀數。

結果和結論

首先讀數差不多是零。發射器產生的微波是垂直偏振，所以會被垂直的金屬柵吸收。 跟著，讀數會變成最大值。原因是水平偏振的電場不可能被垂直的金屬柵吸收。

理論 微波的垂直電場會令垂直金屬柵內的電子振動，微波並且因此被吸收或反射。

但是，因為電子不可能在相鄰柵的金屬線間移動，所以水平分量的電場則不會被影響。

反射產生偏振

在一般情況，由物質反射的光是部份偏振。

但是，當入射角符合以下條件：

反射角與折射角互相垂直時，則反射光將會是面偏振光。 折射光永遠是部份偏振。

金屬柵

金屬柵的正面

絕緣體

非偏振光側面的表示方法

非偏振光正面的表示方法