ρ = 0 (nepřítomnost volných nábojů)

Podobné dokumenty
Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

V mnoha běžných případech v optickém oboru je zanedbáváno silové působení magnetické složky elektromagnetického pole na náboje v látce str. 3 6.

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Světlo jako elektromagnetické záření

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

3 Z volného prostoru na vedení

Vznik a šíření elektromagnetických vln

(Následující odstavce jsou zde uvedeny jen pro zájemce.) , sin2π, (2)

Oddělení pohybu elektronů a jader

Fyzika laserů. 7. března Katedra fyzikální elektroniky.

Vlny v plazmatu. Narušení rovnováhy, perturbace se šíří prostorem => vlny Vlna musí být řešením příslušných rovnic plazmatu => módy

2.6. Koncentrace elektronů a děr

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

MAGNETICKÉ POLE V REÁLNÉM PROSTŘEDÍ ( MAGNETIKA)

Měření teplotní roztažnosti

Skalární a vektorový popis silového pole

Metody nelineární optiky v Ramanově spektroskopii

1.8. Mechanické vlnění

Zakončení viskózním tlumičem. Charakteristická impedance.

Základní otázky ke zkoušce A2B17EPV. České vysoké učení technické v Praze ID Fakulta elektrotechnická

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

ZPOMALENÉ A ZASTAVENÉ SVĚTLO. A. Kalvová, FZÚ AV ČR, Praha a B. Velický, MFF UK a FZÚ AV ČR, Praha

Kinetická teorie ideálního plynu

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

Matematický ústav Slezské univerzity v Opavě Učební texty k přednášce ALGEBRA II, letní semestr 2000/2001 Michal Marvan

9.7. Vybrané aplikace

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

3.2 Stíněné mikropáskové vedení

17 Vlastnosti molekul

Úvod do laserové techniky

ELEKTROMAGNETICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

6. Viskoelasticita materiálů

Obsah PŘEDMLUVA 11 ÚVOD 13 1 Základní pojmy a zákony teorie elektromagnetického pole 23

časovém horizontu na rozdíl od experimentu lépe odhalit chybné poznání reality.

2D transformací. červen Odvození transformačního klíče vybraných 2D transformací Metody vyrovnání... 2

Lineární algebra : Metrická geometrie

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

Příklad 3 (25 bodů) Jakou rychlost musí mít difrakčním úhlu 120? -částice, abychom pozorovali difrakční maximum od rovin d hkl = 0,82 Å na

Nerovnovážné systémy Onsagerova hypotéza, fluktuačně disipační teorém

Daniel Franta Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita

Tepelná vodivost pevných látek

1. Regulace otáček asynchronního motoru - skalární řízení

Skládání různoběžných kmitů. Skládání kolmých kmitů. 1) harmonické kmity stejné frekvence :

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

Analytická geometrie. c ÚM FSI VUT v Brně

Úvod do laserové techniky

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Reologické modely technických materiálů při prostém tahu a tlaku

Obecná vlnová rovnice pro intenzitu elektrického pole Vlnová rovnice mimo oblast zdrojů pro obecný časový průběh veličin Vlnová rovnice mimo oblast

Vlastnosti pevných látek

Jaký význam má kritický kmitočet vedení? - nejnižší kmitočet vlny, při kterém se vlna začíná šířit vedením.

7 Základní elektromagnetické veličiny a jejich měření

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Kmity a mechanické vlnění. neperiodický periodický

TELMG Modul 03: Maxwellovy rovnice. I. a II. MR: aplikací plošného integrálu a Stokesovy věty integrálního počtu

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

Fyzika II mechanika zkouška 2014

Optika pro mikroskopii materiálů I

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA 2. Jan Krystek

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Vnitřní magnetosféra

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky CZ.1.07/2.2.00/ Komplexní čísla

2. Vlnění. π T. t T. x λ. Machův vlnostroj

Urychlení KZ. Obecné principy, Fermiho urychlení, druhý řád, první řád, spektrum

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Neživá příroda I. Optické vlastnosti minerálů

f x = f y j i y j x i y = f(x), y = f(y),

Fabry Perotův interferometr

Analýza napjatosti PLASTICITA

6. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE VÍCE PROMĚNNÝCH

Elektromechanický oscilátor

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

13. Spektroskopie základní pojmy

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Laserová technika 1. Rychlostní rovnice pro Q-spínaný laser. 16. prosince Katedra fyzikální elektroniky.

b) Křehká pevnost 2. Podmínka max τ v Heigově diagramu a) Křehké pevnosti

Všeobecná rovnováha 1 Statistický pohled

DISPERZNÍ KŘIVKY V DESCE S KUBICKOU ANIZOTROPIÍ

Elektronová a absorpční spektroskopie, Vibrační spektroskopie (absorpční a Ramanova rozptylu)

1. Řešená konstrukce Statické řešení Výpočet průhybové čáry Dynamika Vlastní netlumené kmitání...

Základy matematiky pro FEK

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

Výpočtové nadstavby pro CAD

Fyzika laserů. 4. dubna Katedra fyzikální elektroniky.

Laserová technika 1. Laser v aproximaci rychlostních rovnic. 22. prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Příloha č. 1. amplitudová charakteristika filtru fázová charakteristika filtru / frekvence / Hz. 1. Určení proudové hustoty

Transkript:

Učební text k přednášce UFY Světlo v izotropním látkovém prostředí Maxwellovy rovnice v izotropním látkovém prostředí: B rot + D rot H ( r, t) div D ρ rt, ( ) div B a materiálové vztahy D ε pro dielektrika nemagnetické látky μ μ B μh ρ (nepřítomnost volných náboů) polarizace - obemová hustota elektrických dipólů P ε ε χε ε ε, (3) P ( ) kde χ e elektrická susceptibilita Potom D ε + P ε χ ε V izotropním prostředí e χ skalární veličina nabývaící stených hodnot pro libovolný směr přiloženého elektrického pole. V neizotropním prostředí se velikost polarizace mění v závislosti na směru přiloženého pole a χ e tenzorovou veličinou. V nevodivém izotropním prostředí sou elektrony vázány k atomům tvořících prostředí bez něakého preferenčního směru. Předpokládeme, že každý elektron s náboem e e v dielektriku vychýlen na vzdálenost r z rovnovážné polohy. Výsledná makroskopická polarizace P prostředí e vyádřena ako P en r (4) kde N e počet elektronů v ednotce obemu. Je-li vychýlení elektronu z rovnovážné polohy výsledkem působení statického vněšího elektrického pole a e-li elektron pružně vázán k rovnovážné poloze silovou konstantou K, potom platí e Kr Statická polarizace potom bude dána s užitím (5) vztahem (5)

Učební text k přednášce UFY Ne (6) P K Bude-li ale přiložené vněší pole časově proměnné, vztah (6) nebude platit. Abychom správně vyádřili polarizaci v tomto dynamickém případě, musíme vzít do úvahy vlastní pohyb elektronů. Pro popis pohybu vázaného elektronu v časově proměnném vněším poli použieme model klasického tlumeného oscilátoru. Diferenciální pohybová rovnice nabývá tvar dr dr m + mγ + Kr e (7) dt dt dr Člen mγ představue tlumící sílu úměrnou rychlosti elektronu s konstantou úměrnosti mγ, dt člen e e vynucuící síla. Předpokládeme, že přiložené vněší pole e harmonické; eho časová závislost e popsána faktorem i t závislostí, t. r re, potom dr it ri e i r dt dr it r ( i ) e r dt i t e. Předpokládáme-li, že se pohyb elektronu řídí stenou harmonickou časovou čili dosazením do (7) dostáváme m + i m + K r e ( γ ) a dosazením do (4) dostáváme výraz pro dynamickou polarizaci Ne (9) P m + imγ + K Pro se rovnice (9) redukue na rovnici (6) pro statickou polarizaci. Pro danou amplitudu vněšího elektrického pole se velikost polarizace mění s frekvencí. Imaginární člen ve menovateli znamená, že fáze P vůči rovněž závisí na frekvenci. Zavedeme-li vlastní rezonanční frekvenci vázaného elektronu K () m můžeme vztah (9) upravit do tvaru Ne / m P + iγ (8) ()

Učební text k přednášce UFY Z tvaru výrazu () pro polarizaci e zřemé, že můžeme očekávat rezonanční chování pro frekvence světla v blízkosti vlastní frekvence. Abychom ukázali, ak polarizace ovlivňue šíření světla v dielektriku, musíme se vrátit k obecné vlnové rovnici odvozené z Maxwellových rovnic P rot rot + μ () c t t P kde na pravé straně se obevil (na rozdíl od vlnové rovnice ve vakuu) zdroový člen μ. Dosazením z () do () dostaneme μne rot rot + c t m i t + γ kde /c με Z lineárního vztahu mezi a P plyne, že div a tedy rot rot Δ a rovnice (3) se redukue na poněkud ednodušší tvar Δ + c m i t Ne ε γ + Hledeme řešení této rovnice ve tvaru homogenní rovinné harmonické vlny šířící se podél osy z i( t z) e K Derivume (5) i( t z) ( i ) e K K i K z i( t K z) ( i K) e K z i( t K z ) ( i ) e i ( ) (3) (4) (5) i( t K z) i e Dosazení do (4) ukazue, že homogenní rovinná harmonická vlna e řešením vlnové rovnice (4) pokud Ne K + (6) c mε + iγ Přítomnost imaginárního členu ve menovateli znamená, že vlnové číslo musí být komplexní veličina, tedy K k iα 3

Učební text k přednášce UFY (záporné znaménko před imaginární částí sme použili proto, že potom α vychází kladné) Analogicky můžeme zavést komplexní index lomu N kde Nn ik K N (v analogii ke k c c n ) (7) Řešení rovnice (5) lze potom vyádřit ve tvaru i( t K z) α z i( t kz) e e e (8) Faktor e α z ukazue, že amplituda vlny exponenciálně klesá se vzdáleností. To znamená, že ak se vlna šíří, energie vlny e prostředím absorbována. Protože energie vlny e úměrná, mění se energie vlny se vzdáleností ako z e α. Tudíž veličina α představue koeficient absorpce prostředí. Imaginární část k komplexního indexu lomu e známa ako extinkční koeficient. Vztah mezi α a k vyadřue rovnice α k (9) c Fázový faktor v (8) ukazue, že máme harmonickou vlnu šíříce se fázovou rychlostí v c v n () k n Z rovnic (6) a (7) dostáváme a odtud získáváme vztahy N n k () ε + iγ ( i ) + Ne m ( ) Ne Re N n -k + (a) mε + γ ( ) ( ) ( Ne γ Im N ) nk (b) mε + γ ze kterých lze určit optické parametry n a k. Předpokládeme tak slabou absorpci, že ve vztahu (a) můžeme zanedbat k vůči n, a úzkou oblast absorpce, takže můžeme položit Potom při uvážení, že ( )( ) ( ) + Δ 4

Učební text k přednášce UFY dostáváme z (a) Ne mε 4 γ n ( ) Ne Ne u Δ Δ γ + + C mε u ( ) γ mε γ ( γ ) 4 Δ + Δ + + (3a) k Ne γ Ne C ( ) mε + (3b) 4 ( Δ ) + mε γ γ ( Δ γ ) + u kde konstantac e dána výrazem Ne C mε γ a proměnná u výrazem u Δ γ Průběh n a k v závislosti na frekvenci e znázorněn na obr. DI-. oblast anomální disperze.5 oblast normální disperze n()..5 oblast normální disperze. k().5. Obr. DI-. Průběh indexu lomu n a extinkčního koeficientuk na frekvenci Nesilněší absorpce nastává v okolí rezonanční frekvence. Index lomu e pro nízké dn frekvence větší než a s rostoucí frekvencí vzrůstá d >. To e oblast tzv. normální disperze, kterou vykazue většina transparentních látek ve viditelném oboru spektra. Pro tyto látky rezonanční frekvence leží v ultrafialové oblasti spektra. V oblasti rezonanční frekvence 5

Učební text k přednášce UFY se ale disperze stává anomální v tom smyslu, že s rostoucí frekvencí index lomu v oblasti dn anomální disperze klesá, tedy d < V odvození výše sme pro ednoduchost předpokládali existenci pouze edné rezonanční frekvence. Ve skutečnosti mohou být různé elektrony vázány rozdílně a můžeme proto předpokládat, že istá část f má rezonanční frekvenci, frakce f má rezonanční frekvenci a tak dále. Vztah () lze pro tento případ zobecnit Ne f N + mε (4) + iγ kde sčítáme přes všechny druhy elektronů (sčítací index ). Veličina f (nazývaná síla oscilátoru) e faktor, který určue ak silně se proevue rezonanční frekvence. Ve statické limitě výraz (4) pro kvadrát indexu lomu nabývá hodnoty Ne f +, mε což e statická dielektrická konstanta prostředí. Obr. DI-. Průběh indexu lomu n a extinkčního koeficientuk na frekvenci pro látku s několika rezonančními frekvencemi (viz vztah (4)). Jsou-li tlumící konstanty γ dostatečně malé, aby bylo možno v rovnici (4) zanedbat člen γ proti vztahem, potom bude index lomu v podstatě reálný a eho kvadrát bude dán 6

Učební text k přednášce UFY Ne f n ( ) + mε (5) Vztah (5) dobře platí pro plyny. Avšak v kondenzované fází na elektron nepůsobí vněší pole nýbrž v důsledku polarizace dielektrika pole lokální L, které má v případě izotropního dielektrika hodnotu L + P 3ε S uvážením lokálního pole lze odvodit vztah (Lorentzův-Lorenzův) (6) n Ne f. (7) n + 3ε m 7