Эванерстное поле

В электромагнетике , полезностное поле , или эванерстная волна , представляет собой колебательное электрическое и/или магнитное поле, которое не распространяется как электромагнитная волна, но энергия которого пространственно концентрируется в окрестностях источника (колеблющиеся заряды и токи). Даже когда образуется распространяющаяся электромагнитная волна (например, передача антенны ), можно все еще идентифицировать как исдоховывичное поле, компонент электрического или магнитного поля, которое не может быть связано с распространенной волной, наблюдаемой на расстоянии многих волн ( такие как дальние поле передающей антенны).

Отличительной чертой поля евакшины является то, что в этом регионе нет чистого потока энергии. Поскольку чистый поток электромагнитной энергии определяется средним вектором Poynting , это означает, что вектор Poynting в этих областях, усредненных в течение полного цикла колебаний, равен нулю. ^{[ А ]}

Использование термина

Во многих случаях нельзя просто сказать, что поле является или не является «эванизирующим» - наличие вектора -вектора в каком -то направлении (или во всех направлениях). В большинстве случаев, когда они существуют, о полях с эванерскими полями просто рассматриваются и называются так же, как и все другие электрические или магнитные поля, без какого -либо особого распознавания эванценции этих полей. Использование термина в основном ограничивается различением части поля или решения в тех случаях, когда можно ожидать только поля распространяющейся волны.

Например, на иллюстрации в верхней части статьи энергия действительно переносится в горизонтальном направлении. Однако в вертикальном направлении сила поля падает в геометрической прогрессии с увеличением расстояния над поверхностью. Это оставляет большую часть поля концентрироваться в тонком пограничном слое, очень близко к границе раздела; По этой причине это называется поверхностной волной . ^{[ 1 ]} Однако, несмотря на то, что энергия течет по горизонтали, вдоль вертикали нет чистого распространения энергии вдали от (или к) поверхности, чтобы можно было правильно описать поле как «эванерстное в вертикальном направлении». Это один из примеров контекстной зависимости термина.

Повседневные электронные устройства и электрические приборы окружены большими полями, которые исчезают; Их операция включает в себя чередующиеся напряжения (создание электрического поля между ними) и чередующиеся токи (создание магнитного поля вокруг них), которые, как ожидается, будут носить мощность только вдоль внутренних проводов, но не на внешние стороны устройств. Несмотря на то, что в этом обычном контексте не упоминается термин «эванерство», дизайнеры приборов по -прежнему могут быть связаны с поддержанием эваниценции, чтобы предотвратить или ограничить производство распространяющейся электромагнитной волны, что приведет к потере радиации , поскольку распространяющаяся волна «крадет» его силу из схемы или жертвует нежелательные помехи .

Термин «еваментное поле» возникает в различных контекстах, где участвует распространяющаяся электромагнитная волна (даже если ограничена). Термин затем различает компоненты электромагнитного поля, которые сопровождают распространяющуюся волну, но которые сами не распространяются. В других аналогичных случаях, когда обычно ожидается распространяющаяся электромагнитная волна (например, свет, преломленный на границе раздела между стеклом и воздухом), этот термин используется для описания той части поля, где подавляется волна (например, перемещение света Через стекло, забивая на границе раздела стекло-воздух, но за критическим углом ).

Хотя все электромагнитные поля классически управляются в соответствии с уравнениями Максвелла , различные технологии или проблемы имеют определенные типы ожидаемых решений, и когда первичные решения включают распространение волн, термин «Еванерное» часто применяется к полевым компонентам или решениям, которые не делятся этим свойством.

Например, константа распространения полого металлического волновода является сильной функцией частоты ( дисперсионное соотношение ). Ниже определенная частота ( частота отсечения ) константа распространения становится воображаемым числом. Решение волнового уравнения с воображаемым волновым числом не распространяется как волна, а падает в геометрической прогрессии, поэтому поле, возбужденное на этой более низкой частоте, считается проваленным. Также можно просто сказать, что распространение «запрещено» для этой частоты.

Формальное решение уравнения волны может описывать моды, имеющие идентичную форму, но изменение константы распространения от реального на воображаемое, поскольку частота падает ниже частоты отсечения, полностью изменяет физическую природу результата. Решение может быть описано как «режим отсечения» или «эванерстный режим»; ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^: 360 в то время как другой автор просто заявит, что такой режим не существует. Поскольку поле с проваленным, соответствующее режиму, было рассчитано как решение волнового уравнения, оно часто обсуждается как «эванерстная волна», даже если его свойства (такие как не переносить энергию) противоречивы определению волны .

Хотя эта статья концентрируется на электромагнетике, термин «Еванерство» используется аналогичным образом в таких областях, как акустика и квантовая механика , где волновое уравнение возникает из -за вовлеченной физики. В этих случаях решения для уравнения волны, приводящие к мнимым константам распространения, также называются «эванерскими» и обладают важным свойством, что чистая энергия не передается, даже если существует ненулевое поле.

Применения Evanecent Wave

В оптике и акустике , когда волны образуются, когда волны, движущиеся в среде, подвергаются полному внутреннему отражению на границе, потому что они поражают его под углом, превышающим критический угол . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Физическое объяснение существования эванерстной волны заключается в том, что электрические и магнитные поля (или градиенты давления , в случае акустических волн) не могут быть прерывистыми на границе, как было бы, если бы не было полезного волнового поля. В квантовой механике физическое объяснение является точно аналогичным- волновая функция Schrödinger, представляющая движение частиц, нормальное по границе, не может быть прерывилась на границе.

Электромагнитные эванерстные волны использовались для оказывания оптического излучения на мелкие частицы, чтобы задержать их для экспериментов или для охлаждения до очень низких температур, а также для освещения очень мелких объектов, таких как биологические клетки или молекулы с одним белком и ДНК для микроскопии (как в в Общий флуоресцентный микроскоп внутреннего отражения ). Эвизионная волна от оптического волокна может использоваться в газовом датчике, а схема -волны фигурируют в методе инфракрасной спектроскопии, известной как ослабленная общая отражательная способность .

В электротехнике , вывешенные волны встречаются в области ближнего поля в пределах трети от длины волны любой радиоантенны. Во время нормальной работы антенна излучает электромагнитные поля в окружающую область недалеко от поля, а часть энергии поля реабсорбируется, в то время как оставшаяся часть излучается в качестве волн EM.

на основе графена Брэгг-решетка (одномерный фотонный кристалл В последнее время была изготовлена ) и продемонстрировала свою компетентность за возбуждение поверхностных электромагнитных волн в периодической структуре с использованием метода связи призмы . ^{[ 6 ]}

В квантовой механике растворы уравнения Schrödinger уравнения Schrödinger вызывают феномен волнового механического туннелирования .

В микроскопии системы, которые захватывают информацию, содержащуюся в эванерстных волнах, могут использоваться для создания изображений сверхразрешения . Материя излучает как распространяющуюся, так и вывешивающую электромагнитные волны. Обычные оптические системы отражают только информацию в распространяющихся волнах и, следовательно, подвержены дифракционным пределам . Системы, которые захватывают информацию, содержащуюся в эванерстных волнах, таких как Superlens и ближний полевой сканирующий оптическую микроскопию , могут преодолеть предел дифракции; Однако эти системы затем ограничиваются способностью системы точно захватывать эванерстные волны. ^{[ 7 ]} Ограничение их разрешения дано

k\propto {\frac {1}{d}}\ln {\frac {1}{\delta }},

где $k$ максимальный волновый вектор , который может быть разрешен, $d$ расстояние между объектом и датчиком, и $\delta$ является мерой качества датчика.

В целом, практические применения эванерских волн могут быть классифицированы как (1) те, в которых энергия, связанная с волной, используется для возбуждения какого -то другого явления в области пространства, где исходная движущая волна становится эвоянной (например, как в Общий флуоресцентный микроскоп внутреннего отражения ) или (2) те, в которых эванерстная волна объединяет две среды, в которых допускаются движущие волны, и, следовательно, позволяет переносить энергию или частицу между средами (в зависимости от используемого волнового уравнения), даже Хотя в области пространства между двумя средствами массовой информации не допускаются никаких решений для путешествий. Примером этого является волно-механическое туннелирование и известен как муфта с эванерстной волной .

Полное внутреннее отражение света

Например, рассмотрим полное внутреннее отражение в двух измерениях, при этом граница между средой, лежащей на оси x, нормальным вдоль Y и поляризацией вдоль z. Можно ожидать, что для углах, приводящих к общему внутреннему отражению, решение будет состоять из падающей волны и отраженной волны, без передаваемой волны вообще, но такого решения не существует, что подчиняется уравнениям Максвелла . Уравнения Максвелла в диэлектрической среде налагают граничное условие непрерывности для компонентов полей E _|| , H _|| , D _y , и B _y . Для поляризации, рассмотренной в этом примере, условия на e _|| и By _{удовлетворены ,} если отраженная волна имеет ту же амплитуду, что и падающая, потому что эти компоненты инцидента и отраженные волны наложены разрушительно. Их компоненты H _x , однако, наложено конструктивно, поэтому не может быть никакого решения без неразрывающейся передаваемой волны. Однако передаваемая волна не может быть синусоидальной волной, поскольку затем она будет транспортировать энергию от границы, но, поскольку инцидент и отраженные волны имеют равную энергию, это нарушит сохранение энергии . Поэтому мы пришли к выводу, что передаваемая волна должна быть неразличительным решением уравнений Максвелла, которое не является движущейся волной, и единственными такими решениями в диэлектрике являются те, которые распадаются в геометрической прогрессии: эванертные волны.

Математически, эванерские волны могут быть охарактеризованы волновым вектором , где один или несколько компонентов вектора имеют мнимую ценность. Поскольку у вектора есть мнимые компоненты, он может иметь величину, которая меньше, чем его реальные компоненты.

Для плоскости заболеваемости как $xy$ самолет в $z=0$ и интерфейс двух средств в виде $xz$ самолет в $y=0$ , вектор волны передаваемой волны имеет форму ^{[ 8 ]}

\mathbf {k_{t}} \ =\ k_{y}{\hat {\mathbf {y} }}+k_{x}{\hat {\mathbf {x} }}

с $k_{x}=k_{t}\sin \theta _{t}$ и $k_{y}=k_{t}\cos \theta _{t}$ , где $k_{t}$ это величина волнового вектора передаваемой волны (так волновое число ), $\theta _{t}$ это угол преломления, и ${\hat {\mathbf {x} }}$ и ${\hat {\mathbf {y} }}$ единичные векторы вдоль $x$ направление оси и $y$ направление оси соответственно.

Используя закон Снелла $n_{i}\sin \theta _{i}=n_{t}\sin \theta _{t}$ где $n_{i}$ , $n_{t}$ , и $\theta _{i}$ Являются ли преломление показателя среды, где существуют падающая волна и отраженная волна, показатель преломления среды, где существует передаваемая волна, и угол падения соответственно,

k_{y}=k_{t}\cos \theta _{t}=\pm k_{t}\left(1-{\frac {\sin ^{2}\theta _{i}}{n_{ti}^{2}}}\right)^{1/2}

.

с ${\textstyle n_{ti}={\frac {n_{t}}{n_{i}}}}$ .

Если часть условия общего внутреннего отражения как $\sin \theta _{i}>\sin \theta _{c}=n_{ti}$ , удовлетворен, тогда

k_{y}=\pm ik_{t}\left({\frac {\sin ^{2}\theta _{i}}{n_{ti}^{2}}}-1\right)^{1/2}=\pm i\alpha

.

Если поляризация перпендикулярна плоскости падения (вдоль $z$ направление), тогда электрическое поле любой из волн (инцидент, отраженное или переданное) может быть выражено как

\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=\operatorname {Re} \left\{E(\mathbf {r} )e^{i\omega t}\right\}\mathbf {\hat {z}}

где $\mathbf {\hat {z}}$ Является ли единичный вектор в $z$ направление оси.

Предполагая плоские волны как $E(\mathbf {r} )=E_{0}e^{-i\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} }$ и заменить передаваемый волновой вектор $\mathbf {k_{t}}$ в $\mathbf {k}$ , мы находим для переданной волны:

E(\mathbf {r} )=E_{o}e^{-i(-i\alpha y+\beta x)}=E_{o}e^{-\alpha y-i\beta x}

где ${\textstyle \alpha =k_{t}\left({\frac {\sin ^{2}\theta _{i}}{n_{ti}^{2}}}-1\right)^{1/2}}$ является постоянным затухания , и $\beta =k_{x}$ это фазовая постоянная . $+i\alpha$ игнорируется, так как это физически не имеет смысла (усиление волны вдоль направления в этом случае).

Эванерстная волна муфты

Особенно в оптике относится к связке между двумя волнами из-за физического перекрытия того, что в противном случае было бы описано как охлаждающие поля , муфта с эванерстной волной соответствующие распространению волн. ^{[ 9 ]}

Одним из классических примеров является разочарованное полное внутреннее отражение (FTIR), в котором эванерстное поле очень близко (см. График) к поверхности плотной среды, при которой волна обычно подвергает общее внутреннее отражение перекрывает другую плотную среду в окрестностях. Это нарушает совокупность отражения, направляя некоторую власть во вторую среду.

Соединение между двумя оптическими волноводами может быть связано, размещая ядра волокна близко друг к другу, так что полезное поле, генерируемое одним элементом, возбуждает волну в другом волокне. Это используется для получения волоконно-оптических сплиттеров и в клетчатке . На радио (и даже оптических) частотах такое устройство называется направленным муфтом. Устройство обычно называют дичь в случае микроволновой передачи и модуляции.

Объединение эванерстной волны является синонимом ближнего поля в теории электромагнитного поля. В зависимости от характера исходного элемента, вовлеченным в эванерное поле является либо преимущественно электрическим (емкостным), либо магнитным (индуктивным), в отличие от (распространяющихся) волн в дальнем поле, где эти компоненты соединены (идентичная фаза, в соотношении импеданса свободного пространства ). Объединение эванертной волны происходит в нерадиативном поле вблизи каждой среды и как таковое всегда связано с веществом; т.е. с индуцированными токами и зарядами внутри частично отражающей поверхность. В квантовой механике взаимодействие волновой функции может обсуждаться в терминах частиц и описано как квантовое туннелирование .

Приложения

Объединение эванертной волны обычно используется в фотонных и нанофотонических устройствах в качестве датчиков или муфт волноводов (см. Например, Prism Coupler ). ^{[ 10 ]}

Объединение эванертной волны используется для возбуждения, например, диэлектрических микросферных резонаторов.

Эвизионная связь, как взаимодействие с близким полевым, является одной из проблем в области электромагнитной совместимости .

Связание оптических волокон без потери для постукивания волокна .

Объединение волны с эванерстной волной играет важную роль в теоретическом объяснении необычайной оптической передачи . ^{[ 11 ]}

Объединение эванертной волны используется в питании устройств по беспроводной связи. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Общий флуоресцентный микроскоп внутреннего отражения использует эванерскую волну, полученную путем общего внутреннего отражения, чтобы возбудить флуорофоры вблизи поверхности. Это полезно, когда необходимо изучить поверхностные свойства биологических образцов. ^{[ 15 ]}

Смотрите также

Примечания

^ Или, выражая поля E и H как фазоры , сложный вектор Poynting $\mathbf {S} =\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}$ имеет нулевую реальную часть.

Ссылки

^ Такаяма, О.; Богданова, А.А; Лавриненко, AV (2017). «Фотонные поверхностные волны на метаматериальных интерфейсах». Журнал физики: конденсированное вещество . 29 (46): 463001. BIBCODE : 2017JPCM ... 29T3001T . doi : 10.1088/1361-648x/aa8bdd . PMID 29053474 . S2CID 1528860 .
^ IEEE Стандартный словарь терминов электротехники и электроники . Нью -Йорк, Нью -Йорк: Институт инженеров электротехники и электроники . 1992. с. 458. ISBN 978-1-55937-240-4 Полем IEEE Std 100-1992.
^ Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3 -е изд.). Джон-Вайли. ISBN 047130932x .
^ Tineke Thio (2006). «Светкое будущее для источников света субволны». Американский ученый . 94 (1): 40–47. doi : 10.1511/2006.1.40 .
^ Марстон, Филипп Л.; Matula, TJ (май 2002). «Разброс акустических эванерских волн». Журнал Акустического общества Америки . 111 (5): 2378. Bibcode : 2002 Asaj..111.2378m . doi : 10.1121/1.4778056 .
^ Sreekanth, Kandammathe Valiyaveedu; Зенг, Шувен; Шан, Цзинжи; Юн, Кен-Тае; Ю, Тинг (2012). «Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в брэггской решетке на основе графена» . Научные отчеты . 2 : 737. Bibcode : 2012natsr ... 2e.737s . doi : 10.1038/srep00737 . PMC 3471096 . PMID 23071901 .
^ Неис А., «Методы и ограничения подволной визуализации», достижения в области визуализации и электронов, вып. 163, июль 2010.
^ Хехт, Юджин (2017). Оптика (5 -е глобальное изд.). Пирсон. С. 135–137. ISBN 978-1-292-09693-3 .
^ Зенг, Шувен; Ю, Ся; Закон, крыло-Чеунг; Чжан, Йатинг; Ху, Руи; Дин, Сюань-Киен; Хо, Хо-Пуй; Yong, Ken-Tye (2013). «Зависимость от размера поверхностного плазмонного резонанса Au с NP на основе измерения дифференциальной фазы» . Датчики и приводы B: Химический . 176 : 1128–1133. BIBCODE : 2013SEACB.176.1128Z . doi : 10.1016/j.snb.2012.09.073 .
^ Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Comoretto, Davide (2018). «Достижения в функциональном решении, обработанном планарным 1D -фотонными кристаллами» . Усовершенствованные оптические материалы . 6 (24): 1800730. DOI : 10.1002/Adom.201800730 . HDL : 11567/928329 . ISSN 2195-1071 .
^ Фанат, Чжиюань; Жан, Ли; Ху, Сяо; Xia, Yuxing (2008). «Критический процесс необычайной оптической передачи посредством периодической матрицы длины подвол: сцепление с помощью отверстия с эванерстным полем». Оптическая коммуникация . 281 (21): 5467. Bibcode : 2008optco.281.5467f . doi : 10.1016/j.optcom.2008.07.077 .
^ Каралис, Аристейдис; JD Joannopoulos; Марин Солджачич (февраль 2007 г.). «Эффективный беспроводной нерадиативный перенос энергии среднего уровня». Анналы физики . 323 (1): 34. Arxiv : Physics/0611063 . Bibcode : 2008anphy.323 ... 34K . doi : 10.1016/j.aop.2007.04.017 . S2CID 1887505 .
^ "'Evanescent Copting' может питать гаджеты по беспроводной связи», Селеста Бивер, Newscientist.com , 15 ноября 2006 г.
^ Беспроводная энергия может питать потребитель, промышленная электроника - MIT пресс -релиз
^ Аксельрод Д. (1 апреля 1981 г.). «Контакты с клеткой-субстратом освещены общей флуоресценцией внутреннего отражения» . Журнал клеточной биологии . 89 (1): 141–145. doi : 10.1083/jcb.89.1.141 . PMC 2111781 . PMID 7014571 .

Внешние ссылки

[1] Или, выражая поля E и H как фазоры , сложный вектор Poynting $\mathbf {S} =\mathbf {E} \times \mathbf {H} ^{*}$ имеет нулевую реальную часть.

[2] Такаяма, О.; Богданова, А.А; Лавриненко, AV (2017). «Фотонные поверхностные волны на метаматериальных интерфейсах». Журнал физики: конденсированное вещество . 29 (46): 463001. BIBCODE : 2017JPCM ... 29T3001T . doi : 10.1088/1361-648x/aa8bdd . PMID 29053474 . S2CID 1528860 .

[IEEEDict_1992-3] IEEE Стандартный словарь терминов электротехники и электроники . Нью -Йорк, Нью -Йорк: Институт инженеров электротехники и электроники . 1992. с. 458. ISBN 978-1-55937-240-4 Полем IEEE Std 100-1992.

[Jackson_3rd-4] Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3 -е изд.). Джон-Вайли. ISBN 047130932x .

[Tineke-5] Tineke Thio (2006). «Светкое будущее для источников света субволны». Американский ученый . 94 (1): 40–47. doi : 10.1511/2006.1.40 .

[Marstin-acoustic-6] Марстон, Филипп Л.; Matula, TJ (май 2002). «Разброс акустических эванерских волн». Журнал Акустического общества Америки . 111 (5): 2378. Bibcode : 2002 Asaj..111.2378m . doi : 10.1121/1.4778056 .

[7] Sreekanth, Kandammathe Valiyaveedu; Зенг, Шувен; Шан, Цзинжи; Юн, Кен-Тае; Ю, Тинг (2012). «Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в брэггской решетке на основе графена» . Научные отчеты . 2 : 737. Bibcode : 2012natsr ... 2e.737s . doi : 10.1038/srep00737 . PMC 3471096 . PMID 23071901 .

[8] Неис А., «Методы и ограничения подволной визуализации», достижения в области визуализации и электронов, вып. 163, июль 2010.

[9] Хехт, Юджин (2017). Оптика (5 -е глобальное изд.). Пирсон. С. 135–137. ISBN 978-1-292-09693-3 .

[10] Зенг, Шувен; Ю, Ся; Закон, крыло-Чеунг; Чжан, Йатинг; Ху, Руи; Дин, Сюань-Киен; Хо, Хо-Пуй; Yong, Ken-Tye (2013). «Зависимость от размера поверхностного плазмонного резонанса Au с NP на основе измерения дифференциальной фазы» . Датчики и приводы B: Химический . 176 : 1128–1133. BIBCODE : 2013SEACB.176.1128Z . doi : 10.1016/j.snb.2012.09.073 .

[11] Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Comoretto, Davide (2018). «Достижения в функциональном решении, обработанном планарным 1D -фотонными кристаллами» . Усовершенствованные оптические материалы . 6 (24): 1800730. DOI : 10.1002/Adom.201800730 . HDL : 11567/928329 . ISSN 2195-1071 .

[12] Фанат, Чжиюань; Жан, Ли; Ху, Сяо; Xia, Yuxing (2008). «Критический процесс необычайной оптической передачи посредством периодической матрицы длины подвол: сцепление с помощью отверстия с эванерстным полем». Оптическая коммуникация . 281 (21): 5467. Bibcode : 2008optco.281.5467f . doi : 10.1016/j.optcom.2008.07.077 .

[13] Каралис, Аристейдис; JD Joannopoulos; Марин Солджачич (февраль 2007 г.). «Эффективный беспроводной нерадиативный перенос энергии среднего уровня». Анналы физики . 323 (1): 34. Arxiv : Physics/0611063 . Bibcode : 2008anphy.323 ... 34K . doi : 10.1016/j.aop.2007.04.017 . S2CID 1887505 .

[14] "'Evanescent Copting' может питать гаджеты по беспроводной связи», Селеста Бивер, Newscientist.com , 15 ноября 2006 г.

[15] Беспроводная энергия может питать потребитель, промышленная электроника - MIT пресс -релиз

[16] Аксельрод Д. (1 апреля 1981 г.). «Контакты с клеткой-субстратом освещены общей флуоресценцией внутреннего отражения» . Журнал клеточной биологии . 89 (1): 141–145. doi : 10.1083/jcb.89.1.141 . PMC 2111781 . PMID 7014571 .

[ А ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]