Mir wurde zuvor beigebracht, dass mechanische Wellen, wenn sie auf eine Grenze zwischen einem weniger dichten (schnelleren) Medium und einem dichteren (langsameren) Medium treffen, die reflektierte Welle invertiert wird, weil sie wie eine feste Endreflexion wirkt. Und bei einer festen Endreflexion bewegt sich das Endteilchen nicht und übt eine Kraft auf die anderen Teilchen entgegen der Richtung der Welle aus, wodurch sich die reflektierte Welle umkehrt.
Aber da elektromagnetische Wellen kein Medium oder Partikel benötigen, um sich auszubreiten, brauche ich etwas Hilfe beim Verständnis:
Was ist der Mechanismus hinter der Reflexion elektromagnetischer Wellen? (Wie in warum werden sie reflektiert)
Warum werden elektromagnetische Wellen invertiert, wenn sie auf eine Grenze zwischen einem schnellen und einem langsamen Medium treffen?
Jede Hilfe wäre sehr willkommen!
Bei einer Wellenausbreitung sehen wir das Zusammenspiel zweier Komponenten: Die eine repräsentiert Kraft (Druck, Spannung, elektrisches Feld), die andere repräsentiert Bewegung (Strömung, Strom, Magnetfeld).
Diese beiden Komponenten, das Yin und Yang der Wellen, bewegen eine Welle vorwärts, indem sie sich gegenseitig ständig verändern.
Wenn zum Beispiel der Luftdruck zunimmt, bewegt er Luftmoleküle, was den Druck stromabwärts erhöht und bewirkt, dass sich andere Moleküle bewegen usw.
Für einen bestimmten Wellentyp in einem bestimmten Medium wird das Verhältnis dieser beiden Komponenten durch das Medium bestimmt und als Impedanz bezeichnet, z. B. p/Q für akustische Wellen, V/I für Übertragungsleitungswellen, E /H für elektromagnetische Wellen).
Offensichtlich wird in einem Medium mit niedriger Impedanz die gleiche Kraft eine größere Bewegung verursachen und umgekehrt.
Solange die Impedanz eines Mediums gleich bleibt, breitet sich eine Welle mit gleicher Geschwindigkeit und in gleicher Richtung aus. Wenn sich jedoch die Impedanz des Mediums abrupt ändert, z. B. aufgrund eines Übergangs zu einem anderen Medium, kann dieselbe Kraft nicht dieselbe Bewegung verursachen.
Wenn zum Beispiel das zweite Medium eine höhere Impedanz hat, könnte nur ein Teil der Welle vorwärts gehen und den verbleibenden Teil dazu zwingen, zurückzugehen oder zu reflektieren.
Wellen werden also reflektiert, wenn sie auf eine Unstetigkeit in den Medien oder eine Unstetigkeit der Impedanz treffen, dh aufgrund einer Impedanzfehlanpassung.
Die Reflexion kann auch aus der Energieperspektive erklärt werden. Wie wir wissen, ist die Energie- (oder Leistungs-) Übertragung dann maximal, wenn die Impedanz der Last mit der Impedanz der Quelle übereinstimmt. Das bedeutet, dass immer dann, wenn sich die Impedanz des Mediums ändert, erhöht oder verringert, nicht die gesamte Energie der Welle passieren kann, dh ein Teil der Energie muss reflektiert werden.
Genauer gesagt muss das Verhältnis der Kraft- und Bewegungskomponenten an der Grenze Randbedingungen für beide Medien genügen.
Nach dieser Logik könnten wir einen Reflexionskoeffizienten an der Grenze ableiten, der das Verhältnis zwischen der Kraft ist, die die reflektierte Welle darstellt, und der Kraft, die die einfallende Welle darstellt:
Γ = (Z2 – Z1)/(Z2 + Z1), wobei Z1 und Z2 Impedanzen des ersten Mediums bzw. des zweiten Mediums sind.
Wenn wir uns diese Formel ansehen, können wir sehen, was mit einer Welle an einer Grenze unter verschiedenen Szenarien passiert.
Wenn zum Beispiel Z1 = Z2, Γ = 0 ist, gibt es keine Reflexion und die Welle setzt sich fröhlich fort.
Wenn Z2 sehr hoch ist, ist Γ = ~1, dh die Welle trifft auf eine Wand oder einen offenen Stromkreis und wird vollständig reflektiert. Die Randbedingung verlangt hier, dass nichts über die Wand hinaus fließt, und daher muss die reflektierte Welle die mit der einfallenden Welle verbundene Strömung aufheben. Dazu muss die Kraft an der Wand doppelt so groß sein wie die Kraft der einfallenden Welle.
Ist Z2 sehr klein, Γ=~-1, dh die Welle trifft auf keinen Widerstand oder einen Kurzschluss, muss die Kraft auf Null abfallen. Dies bedeutet, dass die mit der reflektierten Welle verbundene Kraft die mit der einfallenden Welle verbundene Kraft aufheben muss, oder wir können sagen, dass sie mit dieser Kraft invertiert oder phasenverschoben ist.
Dieser letzte Fall könnte erklären, warum elektromagnetische Wellen von Metallen mit der Inversion des elektrischen Feldes reflektiert werden. T
Die EM-Wellenimpedanz im freien Raum (und in Luft) beträgt etwa 377 Ohm. Die Wellenimpedanz eines Metalls könnte nahe Null sein. Dies zwingt das elektrische Feld auf der Oberfläche des Metalls dazu, nahe Null zu sein, was bedeutet, dass das mit der reflektierten Welle verbundene elektrische Feld mit dem elektrischen Feld der einfallenden Welle phasenverschoben sein muss, um es aufzuheben.
Die von einem Metall reflektierte EM-Welle wird durch einen elektrischen Strom erzeugt, der (meistens) auf der Oberfläche des Metalls fließt und versucht, das mit der einfallenden Welle verbundene elektrische Feld zu unterdrücken, um die Randbedingung E = 0 zu erfüllen.
Ihre 1. Frage: Wenn ein Photon mit einem Atom wechselwirkt, können drei Dinge passieren:
Bei der elastischen Streuung behält das Photon seine Energie und ändert den Winkel
Inelastische Streuung, das Photon gibt einen Teil seiner Energie an das Atom ab und ändert dabei den Winkel
Absorption, das Photon gibt seine gesamte Energie an das Atom ab und das Valenzelektron geht auf ein höheres Energieniveau
In Ihrem Fall ist Reflexion elastische Streuung. Bei einem Spiegel ist der Winkel entgegengesetzt und bei Glas ist er gleich.
Ihre 2. Frage:
- Die Lichtwelle invertiert an einer Grenze mit größerem Brechungsindex
Warum invertiert eine Lichtwelle an einer Grenze mit größerem Brechungsindex?
Benutzer4552