Answer for HW6

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1. 1D 电磁波解

(1c22t22x2)φ=(1ct+x)(1ctx)φ=0 v=(1ctx)φ{(1ct+x)v=0(1ctx)φ=0:{cdt=dxcdt=dx{ξ=xctη=x+ct

原方程的解为:

ψξ=0φη=0}2φξη=0φ(x,t)=f(xct)右行波 +g(x+ct)右行波  1c22t2φ=Δ3φ=(2r2+2rr)φ

φ=1ru(r,t) 代入上式得:

(1c22t22r2)u=0φ(r,t)=1r[f(t+r/c会聚波 )+g(tr/c)发散波 ]

对于源,会聚波可略去.

2. 反常色散

此时 nr1=Constω02ω2(ω02ω2)2+(ωγ)2=Constf(ω) :

f(ω)=2ω[(ω02ω2)2+(ωγ)2]+(ω2ω02)[2(ω02ω2)(2ω)+2γ2ω]/2=2ω[(ω02ω2)2ω02γ2]/2

对于 f(ω1)=f(ω2)=0:

|ω1ω2|=(ω02+ω0γ)1/2(ω02ω0γ)1/2=ω0(1+γω0)1/2ω0(1γω0)1/2γ( 当 γω0 时 )

3. 介质边界的电磁波

×E=Bt×Bμ=εEtk0, B=nc×E=μεh^×E 得到如下边界条件:

E0+ERx=ETx0+ERy=ETy0+BRxμ=BTxμB0+BRyμ=BTy/μεμERy=εμETy

由第二式和最后一式可知 ERy=0,ETy=0.

×E=Bt<+E0+ER=ET

以及 ×Bμ=εEt<+B=μεn^×E :

εμE0cosθIεμERcosθI=εμETcosθII

上述两式结合 sinθIIsinθI=nIInI 得到:

{EIE0=2nIcosθInIcosθI+μμnII2nI2sin2θIEIE0=nIcosθIμμnII2nI2sin2θInIcosθI+μμnII2nI2sin2θI

4. TM 模

假设方形波导管的轴向是 z 方向, 波动方程是:

(22x+22y+(μϵω2k2))Ez=0

边界条件是 E||=0:

{Ez=Ey=0at x=0,aEz=Ex=0at y=0,b

通过分离变量 Ez=X(x)Y(y), 得到:

Ez=E0sinmπxasinnπyb

给出的截止频率在 k=0 时取得, 它是:

ωmn=πcm2a2+n2b2

注意, 如果 m=0 or n=0 会使得 Ez=0, 波模不存在. 所以对应的最低截止频率是 ω11.

5. 课本题

1. 窄带双色波

A=A0[ei(kxωt+dkxdωt)+ei(kxωtdkx+dωt)]=A0ei(kxωt)[edkxidωt+edkxidωt]=2A0cos(dkxdωt)ei(kxωt) νphase =ω/k,νgroup =dω/dk

4. 各向异性介质

B=0kB=0D=ϵE+Eϵ=0kD=0(ϵ0E0kE0)×E=Btk×E=ωBEBBE=BD=0×Bμ=Dtk×Bμ=ωDBDBD=0 D=kω×Bμ=1ω2μk×(k×E)=1ω2μ[k2Ek(kE)] (k×E)×E=ωB×EE(kE)kE2=ωB×EkE0B×Ek

9. 半无界波导管

求解 [2x2+2y2+2z2+ω2c2](EB)=0 , 边界条件:

{Ex=Ey=0, Ez/z=0 at z=0Ey=Ez=0, Ey/x=0 at x=0,aEx=Ez=0, Ey/y=0 at y=0,b

Ez=X(x)Y(y)Z(z) ,可得

1Xd2Xdx2=kx21Yd2Ydy2=ky21Zd2Zdz2=kz2kx2+ky2+kz2=w2c2

可以得到答案的前四式. 最后, 由 E=0 得到:

Axmπa+Aynπb+Azkz=0

13. 波导管** 2

νmn=ωmn2π=12cm2a2+n2b2={1.5×108m249×106+n21.6×106=1.5×1011m249+n216 Hz1.5×108m249×106+n236×106=1.5×1011m249+n236 Hz

对于 0.7×0.4 cm2:ν01=37.5×109 Hz>ν0=30×109 Hz,  ν10=21.4×109 Hz<ν0.

对于 0.7×0.6 cm2:ν01=25×109 Hz<ν0,  ν10=21.4×109 Hz<ν0,  ν11=32.9×109Hz>ν0.

(1)TE10,  (2)TE10 and TE01

6. 波动物理量的时间平均

AB=A^+A^2B^+B^2 AB=Re[A^eiωt]Re[B^eiωt]=14(A^eiωt+A^eiωt)(B^eiωt+B^eiωt)=14[A^B^e2iωt+A^B^ei2ωt+A^B^+A^B^]=12{Re[A^B^ei2ωt]+Re[AB]}

可见当 A, B 的变化时间尺度 τt 时, AB=12Re[AB].

7. 三种介质中的 1D电磁波

在介质 2 中的相位变化记为 θ=kΔx=ωc/n2d, 假设波在介质 2 中反射 n 次(一个来回算一次), 那么:

Eout,nEin=TRn

其中, T 是完全透射 123 对应的衰减:

T=T12eiθT23=2n1n1+n22n2n2+n3eiθ

R 是在介质 2 中传播一个来回的衰减:

R=R23eiθR21eiθ=n2n3n2+n3n2n1n1+n2ei2θ

于是

EoutEin=n=0+Eout,nEin=n=0+TRn=T1R=4n1n2eiθ(n2+n3)(n1+n2)(n2n3)(n2n1)ei2θ

这里, 实际的 E 是上述的实部.

或者, 使用边界条件求解:

EinT12+E2R21=E2+EinR12+E2T21=ErE2+eiθT23=EoutE2+eiθR23=E2eiθ

重新记无量纲复振幅 Ei=EiEin, 上式给出:

[1n2n1n1+n20002n2n1+n210eiθ2n2n2+n3001eiθn2n3n2+n3eiθ00][E2+E2ErEout]=[2n1n1+n2(n1n2)n1+n200]

MMA 给出一致的结果:
z_figure/Pasted image 20250527113220.png

当然, 也可以用最基本的边界条件:

Ein+Er=E2++E2n1(EinEr)=n2(E2+E2)E2+eiθ+E2eiθ=Eoutn2(E2+eiθE2eiθ)=n3Eout

会得到一样的结果.

8. Drude 模型

(a)

注意到极化强度 P=Np=NαE=(ϵr1)ϵ0E, 得到:

α=(ϵr1)ϵ0N=e2/mω02ω2iωγ
(b)

当电场驱动和阻尼可以忽略时, ω=γ=0:

α4πϵ0=e224πϵ0me(ω0)25.93×1031 m3
(c)

原子极化率可以写作 α=4πϵ0a03 , 于是 α4πϵ0=a031.48×1031 m3 与上式处于同一量级.

(d)

对于实数 ω:

kR=nRcω=1c[ω+ωp22ωω02ω2(ω02ω2)2+γ2ω2]νgroup c=[dkR/dω]1/c={[ω+ωe22ωω02ω2(ω02ω2)2+γ2ω2]ω}1            ={ωp22ω023ω2(ω02ω2)2+γ2ω2ωp22ω2[2γ24(ω02ω2)](ω02ω2)[(ω02ω2)2+γ2ω2]2+1}1νg/c={1+0.00313(ωω0)2[1(ωω0)2]2+0.01(ωω0)20.003(ωω0)2[0.024(1(ωω0)2)](1(ωω0)2){[1(ωω0)2]2+0.01(ωω0)2}2}1={1.0065810.993ω=0.5ω00.41=2.5ω=ω01.0059810.994ω=1.5ω0

在共振区域附近, 反常色散的群速度超过了光速(为什么? 可以查阅: 反常色散的群速度).

有些科普说群速度是能量传播的速度。这是错误的。要记住,群速度只是波包运动的一阶近似而已,并不能完全表述波包的演化。群速度超过光速,并不说明能量/信息超光速,而是在这种情况下,群速度已经失去了意义。

(e)

对于 E^=E^0ekIxei(kIxωt) :

{kIL1   透明 kIL1    不透明 
(f)
n2=εrμr=μr(1+Ne2mϵ01ω02ω2iωγ)|ω0=0=μr(1ωpe2ω2+iωγ)1ωpe2ω2+iωγ
(g)

(7)(8)σE=Nqe2EmτNe2m=στ, 代入(f) 得到:

n2=1στϵ01ω(ω+i/τ)=1σ/ϵ0ω(ωτ+i)=1σ/ϵ0iω(1iτω)
(h)

由(g)可知

n={1σ/ϵ0ω(ωτ+i)}1/2={1+iσ/ϵ0ω(1iωτ)}1/2=ωσ/ε0ωτ1σϵ0ωe(iπ4+kπ)(1iωτ)12=ωτ1k=0σ2ϵ0ω(1+i)(1+12iωτ)nI()σ2ϵ0ω(1+12ωτ)σ2ϵ0ωkI=nIωc=μ0ϵ0σω2ϵ0=μ0σω/2δ=1/kI=2/μ0σω
(i)

直接套公式有:

δ={6.6×106f=108Hz8.56×103f=60Hz
(j)

根据(9), 高频近似 ωτ1 给出:

n2=1στϵ01ω2=1ωpe2ω21

ωτ1ωωpe 意味着, 电磁波的时间尺度 1ω 远小于电子平均碰撞时间 τ, 阻尼效应被忽略, 这导致电磁波的能量不能像课上那样迅速耗散到粒子中(其对应于 ωωpe, 与这里不同), 因此波动得以维持和传播.

该式也适用于描述冷等离子体中电磁波的色散关系.

(k)

(j) 可知, 条件是波的频率足够高/金属足够薄.

9. 介质中的 Maxwell's 方程组

(a)

j+ρ/t=0 得到:

jp+ρp/t=0when jf+ρf/t=0

而极化体电荷 ρρ=P, 带入上式得到:

jp=P/t
(b)

同理 jm+ρm/t=0, 磁化电流 jm=×m, 得到:

ρmt=×m=0ρm=const.
(c)
E=ρϵ0E=(ρf+ρm+ρp)/ϵ0=(ρfp)/ϵ0(ϵ0E+p)=ρfD=ρf×Bμ0=J+ϵ0Et×Bμ0=Jf+Jm+Jp+ϵ0Et=Jf+×M+(ϵ0E+p)t×(Bμ0M)=Jf+Dt×H=Jf+Dt

补充: 没有补充

本来想写点电磁场的拉氏量, 怎么按一般步骤推导得到的来着, 但是大家有期末考试, 助教也有, 所以......

结果放在这里, 拉氏量:

L=imiδ(xxi)c2γ14μ0cFαβFαβjμAμc

以及连续性方程:

μTE.M.fieldμν=F  μνjμ=fμ

课上讲的四维洛伦兹力:

fμ=F  νμjν=mδ(xx0)duμdt=( 1cjE,  j×B+ρE )