Большая энциклопедия нефти и газа. Особенности приема сигналов с круговой поляризацией

Что такое круговая поляризация?

Круговая поляризация - это вращение черного вектора Е- напряженности электрического поля с частотой 4,000,000,000 оборотов в секунду (для С-диапазона).

Вектор Е круговой поляризации можно представить в виде двух ортогональных векторов, H и V величина которых постоянно меняется в процессе вращения черного вектора. Из рисунка видно, что если принимать вместо вращающегося вектора, один из ортогональных векторов, то величина сигнала будет в два раза меньше. Поэтому если принимать линейным конвертором сигнал с круговой поляризацией, то потери составят 3дБ. Поэтому чтобы принять весь сигнал, надо преобразовать круговую поляризацию в линейную, для этого служит деполяризатор. В качестве деполяризатора можно использовать диэлектрик.

В случае расположения диэлектрического поляризатора под углом 45 град вектора H и V на выходе деполяризатора складываются в одной фазе за счет задержки и ускорения составляющих H и V в диэлектрике. Таким образом, величина вектора Е в два раза больше, чем векторов V и H. В зависимости от угла расположения диэлектрического поляризатора к электроду конвертора, будет приниматься круговая поляризация правого или левого вращения. Т.к. Диэлектрик расположенный перпендикулярно или продольно к векторам Н и V не влияет на них, то с использованием механического или магнитного поляризатора можно создать конвертор, принимающий все виды поляризации. Такой конвертор, будет работать на спутниковой антенне, фиксировано направленной на один спутник, что, как правило, лишено смысла или на антенне с полярной подвеской. Волновод конвертора на антенне с полярной подвеской поворачивается в зависимости от направления антенны, а угол поворота конвертора определяется механической конструкцией антенны. Теперь, если Вам требуется принимать круговую поляризацию, то надо установить электрод поляризатора под углом 45 град. к диэлектрику, а если линейную поляризацию, то параллельно или перпендикулярно диэлектрику.

При таком расположении электрода будет приниматься круговая поляризация.

HellasSat

Angle: 39 East

Band: Ku

Frequency: 11630 MHz

Polarization: Horizontal

Symbol Rate: 20.500 Msps

NSS 6

Angle: 95 East

Band: Ku

Frequency: 11017 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 10.500 Msps

Express AM1 NARROW

Angle: 40 East

Band: Ku

Frequency: 11656.75 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 20.802 Msps

Express AM22

Angle: 53 East

Band: Ku

Frequency: 10974.4 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 32.223 Msps

NSS 6

Angle: 95 East

Band: Ku

Frequency: 11017.4 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 10.500 Msps

ABS1

Angle: 75 East

Band: Ku

Frequency: 12609 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 22.000 Msps

HellasSat2

Angle: 39 East

Band: Ku

Frequency: 11512 MHz

Polarization: Horizontal

Symbol Rate: 30.000 Msps

Eutelsat W6

Angle: 21.5 East

Band: Ku

Frequency: 11435 MHz

Polarization: Horizontal

Symbol Rate: 28.782 Msps

Telstar 12

Angle: 15 W

Band: Ku

Frequency: 11000 MHz

Polarization: Vertical

Symbol Rate: 6.336 Msps

Yamal 200 90E

Что такое поляризационный фильтр CPL? Это ценное приспособление, которое любой фотограф должен иметь в своей сумке. Как поляризатор влияет на снимок? Для того чтобы выработать интуицию относительно этого момента, очень часто приходится долго экспериментировать. В этой статье вы узнаете, как ускорить этот процесс, как и чем данное изделие может облегчить задачу (а иногда и нанести вред) в разных ситуациях.

Где крепится CPL-фильтр? Он всегда находится перед фронтальной Каким образом это устройство работает? Оно фильтрует прямые отражения солнечных лучей под определенніми углами. Это нелишне, так как прочий свет зачастую богат оттенками и более рассеян. Работа с этим прибором также требует повышения выдержки (так как некоторые лучи отклоняются). Контроль угла фильтрации происходит за счёт вращения устройства. От нахождения линии зрения камеры относительно солнца зависит сила эффекта.

Вращение фильтра

Когда с помощью CPL-фильтра можно получить максимальный эффект? Лишь если линия зрения камеры перпендикулярна солнечному свету. Это представить можно, направив указательный палец на солнце, а большой палец при этом разместив к нему под прямым углом. Пока вы вращаете руку, указывая на дневное светило, любой курс, на который укажет ваш большой палец, будет определять линию наивысшего эффекта поляризатора.

Однако то, что CPL-фильтр предоставит наилучший результат в указанных направлениях, необязательно означает, что именно в них его работа будет максимально заметна. Предельной поляризация покажется при его вращении, которое изменит угол относительно дневного светила. Чтобы ощутить работу фильтра, лучше всего его поворачивать, глядя на дисплей камеры или в её видоискатель.

При применении можно получить неподходящий результат, так как поляризационное действие зависит от угла. Одна часть картинки может быть размещена под прямым углом к солнцу, а другая - по направлению к нему. В этом случае на одной стороне фото поляризационный эффект не будет заметен, а на другой - его можно будет увидеть.

Очевидно, что широкоугольные объективы несовершенны. Однако повороты «полярика» иногда могут эффект сделать более жизненным. Очень часто профессионалы размещают наиболее выраженное действие поляризации ближе к краю или углу снимка.

Описание

Фотографы для создания качественного изображения используют два вида фильтров: с линейной поляризацией и круговой. Эти устройства выделяют и отделяют зоны, богатые поляризованным отражённым светом. С их помощью, снимая дно, можно отсеять яркие блики, или запечатлеть ландшафт за окном без собственного отражения в стекле.

Фильтры линейные исполняют одну простую работу - они модифицированный свет пропускают в единственной плоскости. Приборы с круговой поляризацией дают доступ лучам, видоизменённым по кругу. Они любое преломление лучей превращают в сферическое. Фактически, круговой «полярик» не препятствует работе автофокуса, позволяет безошибочно угадывать экспозицию и может устанавливаться на всех камерах (старых в том числе).

При этом излишние блики будут так же ликвидированы, как и в приборе с линейной поляризацией. CPL-фильтр даёт «чистое» сферическое преломление света лишь при специфичной длине волны. В волновой пластинке оптическая разность её хода между простым и необыкновенным лучами равна ровно четверти её длины. Для всех других длин волн это устройство будет показывать эллиптическое воздействие.

Круговые фильтры сложнее остальных, поэтому их стоимость выше. С внешней стороны этого устройства размещён обычный линейный прибор, а с внутренней - четвертьволновая пластинка, превращающая линейную поляризацию в сферическую.

Фотография

Поляризационные светофильтры для фотоаппарата - это приборы, предназначенные для устранения нежелательных эффектов (отражений, бликов), ослабления яркости (с параллельным увеличением насыщенности) неба и других объектов, для достижения эстетических целей. Выглядят как обыкновенные светофильтры, но имеют переднюю и заднюю части равной толщины, которые могут свободно вращаться.

Как применяется CPL-фильтр? Для чего нужен этот аппарат? Его задняя часть прикручивается к объективу, а необходимый эффект выбирается с помощью поворота передней половины на какой-либо угол. Лицевой сегмент может быть оснащён внутренней резьбой, с помощью которой крепится объективная крышка, резьбовая бленда или иные светофильтры, что является неопровержимым плюсом.

Разные сегменты отсвечивающих объектов могут давать отблеск с разными углами поляризации, которые синхронно подавить одним фильтром невозможно. Кроме того, в кадре отливающих предметов может оказаться большое количество. В таких случаях применяются несколько последовательно скрученных поляризационных фильтров, причём, все, кроме тыльного, должны быть линейной поляризации. Это необходимо потому, что оптический компенсатор, размещённый в круговом фильтре, препятствует достижению эффекта от других устройств, которые могут быть размещены за ним.

Чем ещё знаменит поляризационный фильтр для объектива? Его обычно расположена в границах от двух до пяти. Могут иметь место цветовые искажения. Вообще некоторые устройства имеют спад до одного стопа в фиолетово-синей области, из-за чего картинка получается с зелёным оттенком. Дешёвые аппараты могут отвратительно воспроизводить мелкие детали. «Полярик», наряду с «защитным» УФ-препятствующим фильтром, является наиболее эксплуатируемым устройством в фотографии.

Детали

Обычно поляризационный фильтр производят в виде двух пластинок, изготовленных из стекла. Между ними размещена поляроидная плёнка, обладающая дихроизмом линейным. Эта деталь является неким слоем ацетилцеллюлозы, содержащим внушительное число мельчайших микролитов герапатита (йодистого соединения сернокислого хинина).

Используются такие поливинилово-йодные плёнки с полимерными цепями синхронно ориентированными. Ориентация микролитов идентична ввиду электрического поля, а полимерные цепи направляются механическим растяжением. Круговой фильтр, кроме того, оснащён оптическим компенсатором - четвертьволновой фазовой пластинкой. С помощью этой детали можно определять разность хода двух пусков лучей. Она работает в соответствии с явлением двойного преломления света в кристаллах.

Превращение света

Простой и исключительный лучи имеют разные скорости. Их оптические длины путей также неодинаковы. Поэтому они приобретают разницу хода, измеряемую толщиной кристалла, через который проходят. Она устанавливается по пути идущего луча за поляризатором и поворачивается при сборке до того момента, пока её оси колебаний не совпадут с осями оптическими.

В этой позиции четвертьволновая пластина преобразовывает лучи поляризованные линейно в свет с поляризацией круговой (и наоборот), увеличивая различие хода до 90 градусов. С такими особенностями изготавливаются все «полярики». Отличие как в цене, так и в качестве имеет место из-за добавочных слоёв: защитных, просветляющих, водоотталкивающих.

Появление

Когда был разработан поляризационный фильтр для объектива? Этот продукт появился благодаря развитию элементов TTL автоматики фотокамеры, которые в отличие от фотоматериалов, попали в зависимость от инновационного воздействия на свет.

Вообще линейно-поляризационное излучение затрудняет экспозамер и в зеркальных фотоаппаратах частично препятствует действию автоматики фазовой фокусировки.

В астрономии «полярики» находятся в составе приспособлений, с помощью которых изучают круговое и линейное изменение света объектов, пребывающих в космическом пространстве.

Поляризационный надзор является базовым способом получения сведений о мощности магнитного поля в районах генерации излучения, скажем, на белых карликах.

Nikon CPL

Поляризационный фильтр CPL Nikon 52 mm - ценная вещь для пейзажного фотографа и для тех, кто любит получать качественные снимки. Существует как минимум шесть поводов, почему нужно приобрести этот продукт:

• Для фотографирования воды (она становится темнее и прозрачнее).
• Съёмка пейзажа (увеличивается «насыщенность» зелени и неба).
• Для съёмки под углом через окно (чтобы уничтожить блики и отражения от стекла).
• Ликвидация отражений в солнечный день (от воды, стекла, машины).
• Увеличение выдержки на пару стопов (когда это нужно).
• Защита объектива от механического воздействия.

Приобрести этот фильтр нужно тем, кто отправляется путешествовать в тёплые страны - это незаменимый помощник в изготовлении красочных фото. На ярком солнце это устройство улучшает качество снимка, увеличивая контрастность и насыщенность, при этом ликвидируя дымку.

Ограничения

Те люди, которые хотят научиться делать хорошие снимки, берут уроки фотографии у профессионалов. Как использовать поляризационный фильтр? Устройство нужного диаметра нужно накрутить на объектив фотокамеры. Вращая кристалл в фильтре, необходимо выбрать желаемую что позволит при съёмке ликвидировать блики от воды или стекла, а также получить более пушистые и белые облака, насыщенное небо.

По использованию таких устройств существуют некоторые ограничения:

• Вращая поляризационный фильтр нужно учитывать, что ожидаемый район предельного эффекта будет размещён примерно в 90 градусах от первичного положения. Если устройство повернуть на 180 градусов, этот маневр картинку приведёт к начальному состоянию.
• «Полярики» смягчают световой поток, поступающий на матрицу камеры через объектив, поэтому профессионалы часто увеличивают балансировку экспозиции на 1-2 ступени.

Недостатки

Уроки фотографии необходимы начинающим фотографам для создания качественных снимков. Мы выяснили, что «полярики» весьма полезны. К сожалению, они имеют следующие недостатки:

• Из-за этого устройства экспозиция может попросить больше света в 4-8 раз (на 2-3 ступени), чем обычно.
• Им необходим определённый угол по отношению к солнцу для получения наилучшего результата.
• С этими фильтрами по видоискателю камеры ориентироваться трудно.
• Это одни из наиболее дорогих приборов.
• Они требуют вращения, поэтому могут увеличить время подбора композиции.
• Обычно их невозможно применять для широкоугольных и панорамных снимков.
• Если фильтр загрязнён, он может качество картинки снизить.

Более того, иногда отражения нужны на фотографии. Наиболее яркими примерами здесь являются радуги и закаты. Стоит к любому из них применить поляризатор, красочные отражения могут исчезнуть совсем или поблёкнуть.

Фильтры для фотоаппарата - это сложные устройства. Но с течением времени можно научиться с ними работать. «Полярик» может порой быть использован, когда необходимо увеличить длительность экспозиции. Так как он может сократить в 4-8 раз (на 2-3 ступени) пропускаемый свет, с его помощью можно снимать воду и водопады.

Если поляризатор надеть на широкоугольный объектив, он может создать броское затемнение кромок картинки («виньетирование»). Чтобы этого избежать, наверняка придётся приобрести более «тонкий» дорогой вариант.

Круговые поляризаторы были созданы для того, чтобы системы автофокуса и экспозамера камеры продолжали работать при надетом фильтре. Линейные «полярики» намного дешевле, но их невозможно применять с большинством зеркальных цифровых камер (так как они используют фазовый автофокус и TTL - экспозамер через объектив).

Пусть в направлении оси OZ распространяются две электромагнитные волны. Напряженность электрического поля одной волны колеблется в направлении оси OY по закону EY(z, t) = Eosin(kz-wt) , а другой - в направлении оси OX по закону Ex(z, t) = Eocos(kz-wt) .Фаза колебаний волны с электрическим полем, ориентированным по оси OX , отстает на p/2 от фазы другой волны. Выясним характер колебаний вектора напряженности результирующей волны.

Можно просто убедиться, что модуль результирующей волны со временем не изменяется и всегда равен Eo . Тангенс угла между осью OX и вектором напряженности электрического поля в точке z равен
tgj===tg(kz-wt). (1)

Из (1) следует, что угол между вектором напряженности электрического поля волны и осью OX - j - со временем изменяется по закону j(t)=kz-wt .Вектор напряженности электрического поля равномерно вращается с угловой скоростью, равной w . Конец вектора напряженности электрического поля движется по винтовой линии (см. рисунок 27). Если смотреть на изменение вектора напряженности из начала координат в направлении распространения волны, то вращение происходит по часовой стрелке, т.е. в направлении вектора магнитной индукции. Такую волну называют право поляризованной по кругу.

Электромагнитная волна с круговой поляризацией, падая на вещество, передает вращение электронам вещества.

Итог: правополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным вдоль распространения волны, левополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным против распространения волны. Этот результат будет использоваться при изучении квантовой физики.

При сложении плоских волн линейной поляризации с плоскостями, ориентированными под прямым углом и с произвольным сдвигом фаз a , результирующее изменение вектора напряженности в данной точке z может быть вращением с одновременным периодическим изменением модуля. Конец вектора напряженности электрического поля волны в этом случае движется по эллипсу. Поляризация данного типа называется эллиптической. Она может быть как левой, так и правой. На рисунке 29 изображены траектории конца вектора напряженности результирующего электрического поля двух волн одинаковой амплитуды с горизонтальной и вертикальной плоскостями поляризации при различных значениях сдвига фаз – от 0 до p . При сдвиге фаз, равномнулю, результирующая волна является плоскополяризованной с плоскостью поляризации, составляющей угол p/4 с горизонтальной плоскостью. При сдвиге фаз, равном p/4 , – эллиптическую поляризацию, при p/2 – круговую поляризацию, при 3p/4 – эллиптическую поляризацию, при p – линейную поляризацию.

В том случае, когда волна представляет собой сумму случайно поляризованных составляющих с хаотическим набором сдвигов фаз, все эффекты поляризации теряются. Говорят, что электромагнитная волна в этом случае не поляризована.

До появления проекта НТВ-Плюс российским энтузиастам спутникового телевидения редко приходилось сталкиваться с круговой поляризацией - наибольший интерес для индивидуального приема представляют европейские спутники с линейно поляризованным излучением. Однако особенности приема сигналов с круговой поляризацией ярко проявились с началом цифрового вещания НТВ-Плюс. При приеме сигнала со спутника BONUM-1 на ту же антенну, что используется для приема европейских спутников (с конвертором без деполяризатора), картинка "рассыпается" даже при очень большом уровне сигнала.

При приеме сигналов "старых" спутников "Галс", TDF-2 и Hot Bird на одну подвижную антенну деполяризатор был не нужен. Во-первых, сигнал "Галсов" намного мощнее сигнала спутников Hot Bird и, даже с потерями 3 дБ, принимался не хуже. Во-вторых, несущие частоты транспондеров "Галсов" и TDF-2 разнесены довольно далеко, не менее чем на 36 МГц (11767 LZ и 11803 RZ). Это больше, чем ширина полосы пропускания приемника (27 МГц), поэтому даже при одновременном приеме сигналов в обеих поляризациях без развязки они не перекрывались по частоте. Эта особенность позиции 360 в.д. успешно использовалась при коллективном приеме - для одновременного приема сигналов с правой и левой поляризацией использовалась антенна с запасом усиления 3 дБ (диаметр примерно в 1,5 раза больше минимально необходимого) и штатный конвертор НТВ-Плюс, из которого намеренно удалялся деполяризатор. Отпадала необходимость использовать спаренные конверторы, разделители поляризаций, мультисвитчинги и т.д.

Транспондеры спутника BONUM-1 расположены "вплотную". Центральные частоты транспондеров с разной поляризацией разнесены всего на 19 МГц. При приеме сигнала, например, с правой круговой поляризацией часть мощности сигнала соседнего по частоте транспондера с левой круговой поляризацией попадет в полосу пропускания приемника. Такой сигнал не является полезным сигналом, следовательно, его можно рассматривать как шум. Увеличение диаметра антенны в данном случае не улучшает качество приема, так как уровень шума растет пропорционально уровню сигнала.

У волны с круговой поляризацией вектор электрического поля имеет постоянную величину, но изменяет направление (вращается), делая один оборот на 3600 за один период несущей частоты. Можно представить волну с круговой поляризацией как сумму двух линейно поляризованных волн, векторы Е’ и E" которых расположены ортогонально, а фаза колебаний отличается на p/2 (правая круговая поляризация) или на 3p/2 (левая круговая поляризация). На рис. 1 показан один период волны с круговой поляризацией. Вектор E’ расположен вертикально, а вектор E" - горизонтально. Из рисунка видно, что суммарный вектор Eкр постоянно изменяет свое направление, делая полный оборот за один период. Теперь предположим, что сигнал с круговой поляризацией будет приниматься на переключаемый конвертор.* Так как его штыри расположены ортогонально (под углом 900), можно расположить векторы составляющих E’ и E" параллельно "вертикальному" и "горизонтальному" штырям конвертора соответственно. Нетрудно догадаться, что сигнал будет приниматься на оба штыря одинаково, составляющая E’ будет возбуждать штырь вертикальной поляризации, составляющая E" - штырь горизонтальной поляризации. Амплитуда каждого из векторов E’ и E" будет меньше амплитуды вектора Eкр в Ц2 раз, т. е. потери по мощности составят 3 дБ (мощность сигнала разделится поровну между двумя штырями).

Чтобы избежать потерь при приеме сигнала с круговой поляризацией, используются устройства - деполяризаторы. Наиболее простой деполяризатор - диэлектрический. Он представляет собой секцию круглого волновода с диэлектрической пластиной внутри (рис. 2). Допустим, что в таком волноводе распространяется волна с круговой поляризацией. Разложим ее на две составляющих, направив вектор E’ параллельно пластине деполяризатора, а вектор E" - перпендикулярно ей. Фазовая скорость составляющей, вектор E’ которой направлен параллельно пластине, не изменится и останется равной скорости распространения волны в волноводе Св. Скорость же волны, вектор E" которой перпендикулярен пластине, будет больше или меньше скорости Св, это зависит от размеров волновода, толщины и диэлектрической проницаемости материала пластины. Соответственно длина волны будет больше или меньше, чем длина волны в свободном пространстве. Необходимо задержать или ускорить составляющую E" таким образом, чтобы к концу секции деполяризатора обе составляющих E’ и E" отличались по фазе на 0 или на p. В этом случае на выходе деполяризатора они окажутся в фазе или в противофазе, и суммарный вектор будет иметь постоянное направление (450 по отношению к каждой составляющей, см. рис. 2). Таким образом, длина пластины подбирается с таким расчетом, чтобы задержка составляющей E" составляла p/2, т. е. количество длин волн составляющих E’ и E", укладывающихся на длине пластины L, должно отличаться на l/4. В конверторе Cambridge AE37 (штатный конвертор НТВ-Плюс) используется пластина из полистирола толщиной 1 мм и длиной 46 мм. Пластина располагается в волноводе таким образом, чтобы угол между плоскостью пластины и плоскостью, в которой расположен "вертикальный" штырь конвертора, составлял 450. При таком расположении пластины деполяризатор преобразует волну с правой круговой поляризацией в волну с линейной вертикальной поляризацией, а волну с левой круговой - в волну с линейной горизонтальной.

Нетрудно убедиться, что деполяризатор - обратимое устройство. Если на входе секции деполяризатора присутствует линейно поляризованная волна, вектор Eл которой расположен под углом 450 к диэлектрической пластине, то на выходе секции волна приобретает круговую поляризацию. Как принимается сигнал с круговой поляризацией на переключаемый конвертор с двумя штырями, уже рассматривалось выше. Таким образом, если линейно поляризованный сигнал (например, со спутников Hot Bird) принимать на конвертор с деполяризатором, потери по мощности составят не менее 3 дБ, и сигналы обеих поляризаций (и вертикальной и горизонтальной) будут приниматься одинаково на оба штыря, мешая приему друг друга.

Заметим, что если диэлектрическую пластину расположить параллельно или перпендикулярно направлению вектора Е линейно поляризованной волны, она будет вносить минимальное затухание, не изменяя при этом направление поляризации. Значит, деполяризатор можно "отключить" на время приема спутника с линейной поляризацией, установив пластину параллельно штырю вертикальной поляризации (или перпендикулярно ему). Это можно сделать с помощью комбинации устройств "диэлектрический деполяризатор + механический или магнитный поляризатор". При первоначальной настройке пластина деполяризатора устанавливается по направлению вектора Е вертикально поляризованной волны. Для приема сигналов с линейной поляризацией механическим поляризатором приемный штырь разворачивается параллельно или перпендикулярно пластине. Для приема сигналов с круговой поляризацией штырь устанавливается таким образом, чтобы угол между ним и плоскостью пластины составлял 450 в ту или иную сторону. Если используется магнитный поляризатор, штырь конвертора остается неподвижным, а направление поляризации линейно поляризованной волны (прошедшей параллельно или перпендикулярно пластине деполяризатора или сформированной из волны с круговой поляризацией) приводится магнитным поляризатором в плоскость штыря.

Использование обоих этих устройств связано с некоторыми ограничениями.

• Первое: для управления как магнитным, так и механическим поляризатором ресивер должен иметь соответствующий интерфейс. У цифровых ресиверов, за редкими исключениями (например, PRAXIS DVB9800 ADP), такого интерфейса нет. Для управления магнитным поляризатором в упрощенном варианте можно использовать выход ресивера 0/12 В с некоторыми доработками.
• Второе: и тот и другой поляризаторы рассчитаны на работу с конверторами без переключения поляризации (с прямоугольным фланцем). Как правило, если такой конвертор двухдиапазонный, то гетеродины верхнего и нижнего диапазона переключаются напряжением питания 13/18 В. У большинства цифровых ресиверов этот управляющий сигнал используется только для переключения поляризации. Это обстоятельство сильно усложняет программирование ресивера.
• Третье: оба эти устройства вносят собственные потери от 0,2 до 0,5 дБ, уменьшая добротность приемной установки в целом.

В большинстве случаев выгоднее использовать для приема спутников в позиции 360 в.д. отдельную антенну или отдельный конвертор. Все без исключения цифровые ресиверы поддерживают протокол DiSEqC, поэтому проблем с коммутацией антенн не возникнет.

Пусть в направлении оси OZ распространяются две электромагнитные волны. Напряженность электрического поля одной волны колеблется в направлении оси OY по закону EY(z, t) = Eosin(kz-wt) , а другой - в направлении оси OX по закону Ex(z, t) = Eocos(kz-wt) .Фаза колебаний волны с электрическим полем, ориентированным по оси OX , отстает на p/2 от фазы другой волны. Выясним характер колебаний вектора напряженности результирующей волны.

Можно просто убедиться, что модуль результирующей волны со временем не изменяется и всегда равен Eo . Тангенс угла между осью OX и вектором напряженности электрического поля в точке z равен
tgj= = =tg(kz-wt). (1)

Из (1) следует, что угол между вектором напряженности электрического поля волны и осью OX - j - со временем изменяется по закону j(t)=kz-wt .Вектор напряженности электрического поля равномерно вращается с угловой скоростью, равной w . Конец вектора напряженности электрического поля движется по винтовой линии (см. рисунок 27). Если смотреть на изменение вектора напряженности из начала координат в направлении распространения волны, то вращение происходит по часовой стрелке, т.е. в направлении вектора магнитной индукции. Такую волну называют право поляризованной по кругу.

Электромагнитная волна с круговой поляризацией, падая на вещество, передает вращение электронам вещества.

Задача 3. Плоская электромагнитная волна с круговой поляризацией по часовой стрелке падает на металлическую пластинку. Напряженность электрического поля волны E0.
а) Покажите, что электроны проводимости под действием электрического поля совершают вращательное движение. Как направлено вращение?
б) Чему равен момент импульса, переданный волной электрону? Какой вывод можно сделать о наличии момента импульса у волны?

Решение. а) Полагаем, что на электроны проводимости не действует возвращающая сила (они свободны), тогда уравнения движения электрона в плоскости XOY будут иметь вид:
meax=-eEocos(kz-wt) Û ax=- cos(wt-a) (2)
meay=-eEo sin(kz-wt) Û ay=+ sin(wt-a). (3)
Модуль ускорения постоянен и равен
a= . (4)
Из выражения для тангенса угла поворота вектора ускорения (аналогично (1)) ясно, что он вращается с постоянной угловой скоростью w . Вращение с направлением распространения волны составляют правый винт (по часовой стрелке). Отсюда следует, что электроны движутся по окружностям постоянного радиуса с угловой скоростью w .Радиус окружности можно определить из кинематического соотношения a=w2r , откуда
(5)
Момент импульса электрона L=me vr=mewr2 с учетом уравнения (5) -
(6)
Момент импульса электрона параллелен направлению распространения волны.

Поскольку электромагнитная волна может распространяться независимо от источника, приобретенный электроном при взаимодействии с электромагнитной волной момент импульса следует отнести к электромагнитной волне (полагаем, что момент импульса сохраняется).

Итог: правополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным вдоль распространения волны, левополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным против распространения волны. Этот результат будет использоваться при изучении квантовой физики.

Момент импульса электромагнитной волны с вектором напряженности электрического поля, вращающимся по часовой стрелке, ориентирован по направлению распространения волны. Поляризацию такого типа называют правой круговой поляризацией. Если момент импульса электромагнитной волны ориентирован противоположно направлению распространения, то такую волну называют левополяризованной. На рисунке 28 показаны оба типа поляризации. Крестиком в центре отмечено направление распространения волны.

При сложении плоских волн линейной поляризации с плоскостями, ориентированными под прямым углом и с произвольным сдвигом фаз a , результирующее изменение вектора напряженности в данной точке z может быть вращением с одновременным периодическим изменением модуля. Конец вектора напряженности электрического поля волны в этом случае движется по эллипсу. Поляризация данного типа называется эллиптической. Она может быть как левой, так и правой. На рисунке 29 изображены траектории конца вектора напряженности результирующего электрического поля двух волн одинаковой амплитуды с горизонтальной и вертикальной плоскостями поляризации при различных значениях сдвига фаз – от 0 до p . При сдвиге фаз, равномнулю, результирующая волна является плоскополяризованной с плоскостью поляризации, составляющей угол p/4 с горизонтальной плоскостью. При сдвиге фаз, равном p/4 , – эллиптическую поляризацию, при p/2 – круговую поляризацию, при 3p/4 – эллиптическую поляризацию, при p – линейную поляризацию.

В том случае, когда волна представляет собой сумму случайно поляризованных составляющих с хаотическим набором сдвигов фаз, все эффекты поляризации теряются. Говорят, что электромагнитная волна в этом случае неполяризована.