当前课程知识点:电磁场工程应用 > 第6章 平面电磁波的反射和透射 > 6.2.3光纤的传输原理—电磁波在理想介质表面的全反射 > 光纤的传输原理—电磁波在理想介质表面的全反射
同学们好通过前面的学习
我们知道
当电磁波入射到两种媒质分界面的时候
一部分波会反射回原来的媒质形成反射波
还有一波分波会透漏另外一种媒质形成透射波
当满足一定的条件的时候
透射波将不存在也就是说它会发生全反射
今天我们来学习电磁波在介质表面的全反射
这也是光纤的传输原理
首先来看什么是全反射
对于非磁性介质而言
无论它是平行极化
还是垂直极化的斜入射
如果它的反射系数
R的模等于1的话
此时的电磁功率会全部反射回
原来的媒质这一种现象
我们称之为全反射
通过前面的分析
我们知道电磁波在理想导体的表面
一定会发生全反射
而今天我们要学习的是
不光是理想导体的表面会发生全反射
电磁波在理想介质的表面也可以发生全反射
下面来看全反射的条件
对于非磁性媒质而言
也就是说设两种媒质的磁导率都等于μ0的话
那么根据平行极化波的反射系数
以及垂直极化波的反射系数
要使反射系数的模等于1可以推得入射角
θ1必须满足这一个表达式设这里的θ1等于θc
称之为临界角的话
也就是说
只要入射角大于临界角就会发生全反射
所以全反射的条件是第一种情况
假设第一种媒质的折射率
大于第二种媒质
也就是说
第一种媒质的介电常数大于第二种媒质的介电常数的话
第一种媒质是波密媒质第二种媒质是波疏媒质
也就是说
如果电磁波从波密媒质入射到波疏媒质时
只要入射角不小于这一个
临界角它就会发生全反射
所以全反射的条件是两个
第一个由波密媒质入射到波疏媒质
第二入射角大于临界角
为什么这里必须由波密媒质入射到波疏媒质呢
请大家看了这一个表达式
这里是arcsin根号下ε2比上ε1
正弦函数的函数值
是属于-1到1之间的一个数
也就是这里必须要ε2小于ε1
也就是说
从波密媒质入射到波疏媒质
下面我们就来分析
入射角的几种情况
当入射角小于临界角的时候
它不会发生全反射
当入射角恰好等于临界角的时候
设透射角为θ2
很显然
sinθ2就应该等于1
也就是说
θ2会等于九十度
θ2是透射角 透射角等于九十度
证明透射波依然存在
但是因为透射角等于九十度
所以实际上透射波是沿分界面方向进行传播的
当入射角大于临界角的时候
很显然它会发生全反射
因为它的透射波依然存在
只是它传播的方向是沿分界面是平行的
假设分界面的方向就是z轴的方向
如果我们以上面这个颜色代表着第一种媒质
下面这一个颜色代表着第二种媒质
那么这一条z轴所在的这一条虚线就代表着
两种媒质的分界面假设这一个角为临界角
当入射角大于临界角的时候
它会发生全反射
除了有反射波以外
还会有沿着z方向的波
也就是说
此时它的折射波的振幅着垂直方向
也就是这里的这一个x轴方向依然会存在
只是它的规律是衰减的
所以大家看了这里的几条黑线
从上到下幅度越来越衰减
它的衰减的规律
前面我们已经讲过它会按照指数规律进行衰减
因此它的能量依然是集中在
这一个分界面的表面附近
所以这一个波称之为表面波
或许说隐失波或许说倏(shu一声)逝波
下面我们来看光纤的结构
光纤是一种透明的玻璃纤维
它的直径很小
有里面的内芯和外面的这一个包层所构成
当然
在包层的外面还有一个保护层
这就是光纤的结构
光也是电磁波的一种
当光入射到端面的时候
光线会折射进入光纤的内部
在内芯和包层的界面之间多次发生全反射
假使这是一个光纤的截面
设内芯媒质的介电常数为ε1
包层的介电常数为ε2的话
设光的入射角为θi很显然
此时的临界角等于这样一个表达式
因此这个光纤发生全反射的条件就是
第一入射角大于等于临界角
第二设ε1大于ε2
也就是说
内芯的介电常数大于包层的介电常数的话
此时
就会发生全反射
换一句话说
此时的光线就局限在内芯里面传播
不过
请大家注意光纤的介质外层的表面
一定还存在着表面波
此时必须加一个金属的外壳给与电磁屏蔽
因此
这样就形成了光缆
请大家看着这两张图
这两张图是光导纤维在医学上面的一个应用
它是用作内窥镜来检查人体内脏器官的病变情况
-0.1 场与路
--场与路
--场与路
-0.2 矢量的基本运算
--矢量的基本运算
--矢量的基本运算
-0.3 场的直观表示--场线
--场的直观表示
--场的直观表示
-0.4 标量场的方向导数和梯度
-0.5.1 矢量场的通量和散度
-0.5.2 矢量场的环量和旋度
-0.6 散度和旋度
--散度和旋度
--散度和旋度
-0.7 亥姆霍兹定理
--亥姆霍兹定理
--赫姆霍兹定理
-第0章 场的概念--第0章习题
-1.1静电场的源
--静电场的源
--静电场的源
-1.2电场强度
--电场强度
--电场强度
-1.3电位
--电位
--电位
-1.4电偶极子
--电偶极子
--电偶极子
-1.5静电场中的导体和电介质
-1.6高斯定理
--高斯定理
--高斯定理
-1.7静电场的基本方程
--静电场的基本方程
--静电场的基本方程
-1.8静电场分界面的衔接条件
-1.9静电场的边值问题及求解
-1.10镜像法
--镜像法
--镜像法
-1.11电轴法
--电轴法
--电轴法
-1.12地球的电容-电容及求解
-1.13静电力与静电能量
--静电力与静电能量
--静电力与静电能量
-1.14高电压技术中的电场问题
-第1章 静电场--第1章习题
-2.1鱼塘大量死鱼之谜-电流及电流密度
-2.2三大定律
--三大定律
--三大定律
-2.3电源电动势和局外场强
-2.4恒定电场的基本方程和边界条件
-2.5电流为什么弯曲?--恒定电场边界条件的应用
-2.6恒定电场的边值问题
-2.7恒定电场与静电场的比拟
-2.8恒定电场的工程应用:电导和部分电导
-2.9别墅起火之谜--绝缘电阻
-2.10奶牛被严重击伤,人却安全无恙?--跨步电压
-第2章 恒定电场--第2章习题
-3.1磁感应强度
--磁感应强度
--磁感应强度
-3.2磁场中的物质--磁化
-3.3安培环路定理
--安培环路定理
--安培环路定理
-3.4恒定磁场基本方程及分界面的衔接条件
-3.5.1矢量磁位及其边值问题
-3.5.2标量磁位及其边值问题
-3.6恒定磁场中的镜像法
-3.7.1自感和互感的概念
-3.7.2自感和互感的计算
-3.8恒定磁场的能量
--恒定磁场的能量
--恒定磁场的能量
-3.9.2虚位移法
--磁场力-虚位移法
--磁场力-虚位移法
-3.9.3法拉第观点
-3.10磁路
--磁路
--磁路
-第3章 恒定磁场--第3章习题
-4.1电磁感应定律
--电磁感应定律
--电磁感应定律
-4.2感应电场
--感应电场
-4.3全电流定律
--全电流定律
-4.4麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程
-4.5.1坡印廷定律和坡印廷矢量
-4.5.2坡印廷定理的应用
-4.6.1 动态位的引入
--动态位的引入
-4.6.2 动态位的积分解
--动态位的积分解
-4.7.1时谐电磁场及其复数表示
-4.7.2麦克斯韦方程的复数形式
-4.7.3复介电常数
-4.7.4坡印廷定理的复数形式
-4.7.5时谐场的坡印廷矢量
-4.7.6时变场计算实例
--时变场计算实例
--时变场计算实例
-第4章 时变电磁场--第4章习题
-5.1 均匀平面电磁波的概念
-5.2.1 无界理想介质中平面波的方程
-5.2.2 无界理想介质中的平面波传播特性
-5.3.1导电媒质中均匀平面波的方程
-5.3.2导电媒质中均匀平面波的传播特性
-5.3.3 4G手机能否用于煤矿的井上下通信?
--4G手机
-5.3.4潜艇通信困难?
--海水潜艇通信困难
-5.3.5良导体和良介质中均匀平面波的传播特性
-5.3.6趋肤效应
--趋肤效应
--趋肤效应
-5.3.7趋肤效应的工程应用2例
-5.4.1 电磁波的极化
--电磁波的极化
--电磁波的极化
-5.4.2 圆极化的旋向判断
--圆极化的旋向判断
--极化旋向判断
-5.4.3 极化的工程应用举例—立体电影
-第5章 均匀平面电磁波--第5章习题
-6.1.1平面电磁波对一般导电媒质的垂直入射
-6.1.2均匀电磁波对理想导体平面的垂直入射
-6.1.3均匀平面波对理想介质分界面的垂直入射
-6.1.4易拉罐增强WiFi信号?
--易拉罐增强WiFi信号?--理想导体平面对电磁波的全反射
--易拉罐增强WiFi信号?--理想导体平面对电磁波的全反射
-6.2.1平面波在理想介质分界面上的斜入射
-6.2.2雷达测距和雷达低空盲区
-6.2.3光纤的传输原理—电磁波在理想介质表面的全反射
-6.2.4电磁波在理想介质表面的全透射
-第6章 平面电磁波的反射和透射--第6章习题