Тема Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах Анизотропные среды

Тема 9.
Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах
1. Анизотропные среды
1. Намагниченные ферриты широко применяются в волноводных устройствах диапазона СВЧ. На их основе созданы волноводные элементы, не удовлетворяющие принципу взаимности, т.е. ведущие себя по-разному для волн, распространяющихся через них в противоположных направлениях. Ферриты применяются также в электрически управляемых устройствах. Зависимость параметров феррита от напряженности внешнего (подмагничивающего) магнитного поля h позволяет создавать устройства, свойствами которых можно управлять с помощью изменения значения h. Такими устройствами являются быстродействующие модуляторы, переключатели, перестраиваемые по частоте фильтры, системы для автоматической перестройки частоты генератора и др.
Принцип действия ферритовых устройств в диапазоне СВЧ основан на взаимодействии распространяющегося ЭМ поля с магнитными моментами атомов среды. Для существования такого взаимодействия надо, чтобы ЭМполе проникало в среду. Глубина проникновения поля в металлы в диапазоне СВЧ очень мала. Поэтому применяют специальную технологию для спекания окиси ферромагнитного металла (обычно железа) с другими элементами.
Свойства ферритов зависят от их кристаллической структуры, Различают монокристаллические ферриты, представляющие собой единый кристалл и поликристаллические ферриты, в которых каждый кристаллит ведет себя как монокристалл, изолированный от соседних кристаллитов небольшими воздушными порами. Состав ферритов со структурой шпинели описывается формулой Me^πFe₂0₃, где Me^II— ион двухвалентного металла типа Ni, Со, Fe, Μn, Mg, Си , Ζn , Cd. Иттриевые ферриты со структурой граната имеют формулу
Феррит обладает магнитными свойствами ферромагнетика и электрическими свойствами диэлектрика. В диапазоне СВЧ он имеет σ = 10^-7+10^-11 См/м, ε = 5 + 20, tgΔ≈10^-4.
Явления ферромагнетизма имеют квантовую природу. С помощью классической электродинамики можно выполнить только приближенный анализ ЭМ явлений в феррите. Для анализа последних необходимо найти значение магнитной проницаемости.
2. Плазмой называют электрически нейтральный, частично или полностью ионизированный газ. Подмагничивающее внешнее магнитное поле превращает плазму в анизотропную среду. Верхние слои земной атмосферы под воздействием ЭМ поля Солнца ионизируются. Образующиеся слои ионизированного газа находятся в постоянном магнитном (подмагничивающем) поле Земли, напряженность которого равна 40 А/м. Слои подмагниченной плазмы влияют на распространение радиоволн.
Анализ ЭМ явлений в плазме может основываться на представлениях классической физики. Для анализа ЭМ явлений в плазме необходимо найти значение диэлектрической проницаемости.
3. В линейных анизотропных средах материальные уравнения для комплексных амплитуд в ДСК имеют вид

(1)
(10.1)
где ε_аnт и μ_anm — компоненты тензоров комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей ( n,m=x,y или z).
При изучении ЭМ явлений в анизотропной среде необходимо решать уравнения Максвелла совместно с (1). Однако, в природе не обнаружено веществ, у которых и и одновременно являются тензорами. Поэтому рассматриваем среды, имеющие только магнитную анизотропию, когда D = ε_aΕ, Β = Η, и среды, имеющие только диэлектрическую анизотропию, в которых D = E, B = μ_aΗ .
Отметим, что проводимость может быть тензорной величиной. Тогда в законе Ома σ — тензор.