Electromagnetic waves


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ELECTROMAGNETIC WAVES


ELECTROMAGNETIC WAVES

ELECTROMAGNETIC WAVES

• In the solution of any electromagnetic problem

the fundamental relations that must be satisfied

are the four field equations

𝛁𝛁 × 𝑯𝑯 = ̇𝑫𝑫 + 𝑱𝑱

𝛁𝛁 × 𝑬𝑬 = − ̇𝑩𝑩

𝛁𝛁 � 𝑫𝑫 = 𝝆𝝆

𝛁𝛁 � 𝑩𝑩 = 𝟎𝟎

𝛻𝛻 � 𝐽𝐽 = − ̇𝜌𝜌

• in which the dot superscript indicates partial 

differentiation with   respect to time.


• Three constitutive

relations that concern 

the characteristics of the medium in 

which the fields exist are 

𝐷𝐷 = 𝜀𝜀𝜀𝜀

(1)

𝐵𝐵 = 𝜇𝜇𝜇𝜇



(2)

𝐽𝐽 = 𝜎𝜎𝜀𝜀

(3)

• where 𝜀𝜀, μ, and σ are the permittivity, 



permeability, and conductivity of the 

medium, which is assumed to be 

homogeneous, isotropic, and source-free


• A homogeneous medium is one for 

which the quantities 𝜀𝜀, μ, and σ are 

constant throughout the medium.

• The medium is isotropic if 𝜀𝜀 is a scalar 

constant, so that 

and E have 

everywhere the same direction.



Solution for Free-space Conditions

• The solution of electromagnetic phenomena in 

free space, or more generally, in a perfect 

dielectric containing no charges and no 

conduction currents. 

𝛁𝛁 × 𝑯𝑯 = ̇𝑫𝑫

(𝟒𝟒)

𝛁𝛁 × 𝑬𝑬 = − ̇𝑩𝑩



(𝟓𝟓)

𝛁𝛁 � 𝑫𝑫 = 𝟎𝟎

𝟔𝟔

𝛁𝛁 � 𝑩𝑩 = 𝟎𝟎



(𝟕𝟕)

𝝏𝝏𝛁𝛁 × 𝑯𝑯

𝝏𝝏𝝏𝝏

= 𝛁𝛁 × ̇𝑯𝑯



• Also since 

𝜀𝜀

and μ, are independent of time



̇𝐷𝐷 = 𝜖𝜖 ̇𝜀𝜀

(8)


̇𝐵𝐵 = 𝜇𝜇 ̇𝜇𝜇

(9)


so that there results

𝛻𝛻 × ̇𝜇𝜇 = 𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀

(10)

The symbol  ̈𝜀𝜀 means 



2

E/∂t

2

Take the curl of both sides of (5) and using (9), 

obtain

𝞩𝞩 × 𝞩𝞩 × 𝜀𝜀 = −𝜇𝜇𝞩𝞩 × ̇𝜇𝜇



(11)

Substitute eq. (10) into (11)

𝞩𝞩 × 𝞩𝞩 × 𝜀𝜀 = −𝜇𝜇𝞩𝞩 × ̇𝜇𝜇 = −𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀

(12)


It was shown in vector identity  that

𝞩𝞩 × 𝞩𝞩 × 𝜀𝜀 = 𝞩𝞩𝞩𝞩. 𝜀𝜀 − 𝞩𝞩

2

𝜀𝜀

• Combine this equation with (12) to obtain



𝞩𝞩𝞩𝞩. 𝜀𝜀 − 𝞩𝞩

2

𝜀𝜀 = −𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀



(13)

𝞩𝞩. 𝑬𝑬 =


1

𝜀𝜀 𝞩𝞩. 𝑫𝑫 = 𝟎𝟎

and therefore eq. (13) becomes

𝞩𝞩

2



𝜀𝜀 = 𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀

(14)


This is the law that E must obey. 

• Differentiating (5) with respect to time and 

taking the curl of ( 4) it will be found on 

combining that 

obeys the same law, viz.,

𝞩𝞩

2



𝜇𝜇 = 𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜇𝜇

15

• Equations (14) and (15) are known as the 



wave equations.

• Thus the first condition on either E or is that 

it must satisfy the wave equation.


Uniform Plane-wave Propagation

• The wave equation reduces to a very simple form in the 

special case where E and 

are considered to be 

independent of two dimensions, say and z. Then

𝛻𝛻

2

𝜀𝜀 =



𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝜕𝜕𝑥𝑥

2

+



𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝜕𝜕𝑦𝑦

2

+ 𝜕𝜕



2

𝜀𝜀

𝜕𝜕𝑧𝑧



2

=

𝜕𝜕



2

𝜀𝜀

𝜕𝜕𝑥𝑥



2

𝜕𝜕

2



𝜀𝜀

𝜕𝜕𝑥𝑥


2

=

𝜕𝜕



2

𝜀𝜀

𝑥𝑥



𝜕𝜕𝑥𝑥

2

𝑎𝑎



𝑥𝑥

+

𝜕𝜕



2

𝜀𝜀

𝑦𝑦



𝜕𝜕𝑥𝑥

2

𝑎𝑎



𝑦𝑦

+ 𝜕𝜕


2

𝜀𝜀

𝑧𝑧



𝜕𝜕𝑥𝑥

2

𝑎𝑎



𝑧𝑧

so that (14) becomes 

𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝜕𝜕𝑥𝑥

2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀



𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝜕𝜕𝑡𝑡

2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀



𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑡𝑡


2

𝑎𝑎

𝑥𝑥



+

𝜕𝜕

2



𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡



2

𝑎𝑎

𝑦𝑦



+ 𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


2

𝑎𝑎

𝑧𝑧



(16)

• Vector eq. (16) is equivalent to three

scalar equations, one for each of the

scalar components of E.

• In general, for uniform plane wave

propagation in the direction, E may

have components E



y

and E



z

but not E

x

.

• Without loss of generality attention can

be restricted to one of the components,

say E



y

knowing that results for E, will be

similar to those obtained for E



y

.

• Then the equation to be solved has the form

𝜕𝜕

2



𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑥𝑥



2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀


𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


2

(16𝑎𝑎)


• Equation (16a) is a second-order partial 

differential equation, which occurs frequently in 

mechanics and engineering.

• For example it is the differential equation for the 

displacement from equilibrium along a uniform 

string.


• Electrical engineers will recognize it as the 

differential equation for voltage or current along 

a lossless transmission line.


Uniform Plane-wave Propagation

• Its general solution is of the form

• The functions

f

1

(x-v

0

t)

and 


f



(x+v

0

t)

represent 

uniform waves propagating in the +x and -x

directions respectively.

• Once the electric field has been determined 

from the wave equation, the magnetic field 

must follow from Maxwell’s equations.

( )


(

)

(



)

( )


1

0

2



0

,

         17



x

E x t

f x v t

f x v t

=



+

+


• The expression 

f

1

(x-v

0

t)

means a function of 

the variable (

x-v

0

t

).

• Examples are:



cosβ(x-v

0

t) 

0r 

sinβ(x-v

0

t)

,

𝐶𝐶𝑒𝑒


𝑘𝑘

(x−v



0

t)

(x−v



0

t)

etc. 


• All of these expressions representwave motion.

• If a physical phenomenon that occurs at one 

place at a given time is reproduced at other 

places at later times, the time delay being 

proportional to the space separation from the 

first location, then the group of phenomena 

constitute a 

wave


.

Uniform Plane Wave

• The functions



f

1

(x-v

0

t)

and


f

2

(x+v

0

t)

describe


such a wave mathematically, the variation of

the wave being confined to one dimension in

space.

• If a fixed time is taken, say t



1

then the

function


f

1

(x-v

0

t

1

)

becomes a function of x

since

v

0

t

1

is a constant.

• Such a function is represented by the first

curve.


Figure 5-1. A wave traveling in the positive 

direction.



• If another time, say t

2

, is taken, another



function of is obtained, exactly the same

shape as the first except that the second

curve is displaced to the right by a distance

v

0

(t

2

t

1

).

• This shows that the phenomenon has



travelled in the positive direction with a

velocity V



0

• On the other hand, the function



f

2

(x+v

0

t)

corresponds to a wave traveling in the

negative direction.


Uniform Plane Wave

• Thus the general solution of the wave equation

in this case is seen to consist of two waves,

• One traveling to the right (away from the

source), and the other traveling to the left (back

toward the source).

• If there is no reflecting surface present to

reflect the wave back to the source, the second

term of (17) is zero and the solution is given by

𝜀𝜀 = f



1

(x−v

0

t)

(18)

18

Uniform Plane Wave Solutions in the 

Time Domain (Cont’d)

• The 


velocity of propagation

is determined 

solely by the medium:

• The functions 



f

1

and 


f

2

are determined by 

the source and the other boundary 

conditions.

µε

1

0



=

v

19

Uniform Plane Wave Solutions in the 

Time Domain (Cont’d)

• Here we must have

where

( )


ˆ

,

z



z

H a H x t

=

( )



(

)

(



)

{

}



1

0

2



0

1

,



z

H x t

f x v t

f x v t

η

=



+



20

Uniform Plane Wave Solutions in the Time 

Domain (Cont’d)

• In free space (vacuum):

8

3 10  m/s



120

377


p

v

c

η

π



= ≈ ×

=





21

Uniform Plane Wave Solutions in the 

Time Domain (Cont’d)

• Strictly speaking, uniform plane waves can

be produced only by sources of infinite

extent.


• However, point sources create spherical

waves. Locally, a spherical wave looks like

a plane wave.

• Thus, an understanding of plane waves is

very

important



in

the


study

of

electromagnetics.



Uniform Plane Wave

• Equation (18) is a solution of the wave

equation for the particular case where the

electric field is independent of and and

is a function of and only.

• Such a wave is called a uniform plane



wave.

• Although this is a special case of

electromagnetic wave propagation, it is a

very important one practically and will be

considered further.


• The plane-wave equation

𝜕𝜕

2



𝐸𝐸

𝜕𝜕𝑥𝑥


2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀


𝜕𝜕

2

𝐸𝐸



𝜕𝜕𝑡𝑡

2

may be written in terms of the components of 



as    

𝜕𝜕

2



𝜀𝜀

𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑥𝑥



2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀


𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑡𝑡


2

(19𝑎𝑎)


𝜕𝜕

2

𝐸𝐸



𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑥𝑥


2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀


𝜕𝜕

2

𝐸𝐸



𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


2

(19𝑏𝑏)


𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑥𝑥


2

= 𝜇𝜇𝜀𝜀


𝜕𝜕

2

𝜀𝜀



𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


2

(19𝑐𝑐)


• In a region in which there is no charge density

𝛻𝛻 � 𝜀𝜀 =

1

𝜀𝜀 𝛻𝛻 � 𝐷𝐷 = 0



That is

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑥𝑥


+

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑦𝑦


𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑧𝑧


= 0

• For a uniform plane wave in which is 

independent of and z, the last two terms of this 

relation are equal to zero so that it reduces to

𝜕𝜕𝜀𝜀

𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑥𝑥 = 0



Therefore there is no variation of Ex in the 

direction.



• From eq. (19a) it is seen that the second derivative with

respect to time of Ex must then be zero.

• This requires that Ex be either zero, constant in time, or

increasing uniformly with time.

• A field satisfying either of the last two of these conditions

would not be a part of the wave motion, and so Ex can be

put equal to zero.

• Therefore a uniform plane wave progressing in the x

direction has no component of E.

• A similar analysis would show that there is no component

of

H.

• It follows, therefore, that uniform plane electromagnetic

waves are transverse and have components of

and only

in directions perpendicular to the direction of propagation.



Relation between and H in a Uniform 

Plane Wave.

• For a uniform plane wave traveling in the 

direction E and H are both independent of and z, 

and E and H have no component. In this case

• Then the first Maxwell Equation (I) can be written

• −


𝜕𝜕𝐻𝐻

𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑥𝑥



�𝑦𝑦 +

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑥𝑥


̂𝑧𝑧 = 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


�𝑦𝑦 + 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


̂𝑧𝑧

z

x

H

y

x

H

H

y

z

ˆ

ˆ



+





=

×



z

x

E

y

x

E

E

y

z

ˆ

ˆ



 



+



=

×





• For three dimensional variation of H

• 𝛻𝛻 × 𝜇𝜇 = 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸

𝜕𝜕𝑡𝑡


= 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑡𝑡


�𝑥𝑥 + 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


�𝑦𝑦 + 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


̂𝑧𝑧

z

y

x

H

H

H

z

y

x

z

y

x

H





=

×



ˆ

ˆ



ˆ

z

x

H

y

x

H

y

H

x

H

z

z

H

x

H

y

z

H

y

H

x

H

y

z

x

y

x

z

y

z

ˆ

ˆ



ˆ

ˆ

ˆ



+





=









+



















=

×





• For three dimensional variation of E

• 𝛻𝛻 × 𝜀𝜀 = −𝜇𝜇

𝜕𝜕𝐻𝐻

𝜕𝜕𝑡𝑡


= − 𝜇𝜇

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑥𝑥

𝜕𝜕𝑡𝑡


�𝑥𝑥 + 𝜇𝜇

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


�𝑦𝑦 + 𝜇𝜇

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


̂𝑧𝑧

z

y

x

E

E

E

z

y

x

z

y

x

E





=

×



ˆ

ˆ



ˆ

z

x

E

y

x

E

y

E

x

E

z

z

E

x

E

y

z

E

y

E

x

E

y

z

x

y

x

z

y

z

ˆ

ˆ



ˆ

ˆ

ˆ



+





=









+



















=

×





• and the second equation (II) becomes

𝜕𝜕𝜀𝜀



𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑥𝑥 �𝑦𝑦 +

𝜕𝜕𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑥𝑥 ̂𝑧𝑧 = −𝜇𝜇



𝜕𝜕𝜇𝜇

𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡 �𝑦𝑦 +



𝜕𝜕𝜇𝜇

𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡 ̂𝑧𝑧



• Equating the y terms and then the z terms yields 

the four relations

𝜕𝜕𝐸𝐸

𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑥𝑥



= 𝜇𝜇

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


20(𝑎𝑎)

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑥𝑥


= −𝜇𝜇

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


20(𝑏𝑏)

𝜕𝜕𝐻𝐻



𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑥𝑥


= 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡


20(c)

𝜕𝜕𝐻𝐻


𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑥𝑥


= 𝜀𝜀

𝜕𝜕𝐸𝐸


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑡𝑡


20(𝑑𝑑)

• Now if E

y

f



1

(x v

o

t), where 𝑣𝑣

0

= 1/√µ𝜀𝜀 then 



𝜕𝜕𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡 =



𝜕𝜕𝑓𝑓

1

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕𝑡𝑡



= −𝑣𝑣

0

𝜕𝜕𝑓𝑓



1

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣

0

𝑡𝑡

• This is generally written as                       



𝜕𝜕𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜕𝜕𝑡𝑡 = 𝑓𝑓



1

𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕𝑡𝑡



= −𝑣𝑣

0

𝑓𝑓



1

𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

• where f



1

(x - v



0

t), or more simply f

1

means


𝜕𝜕𝑓𝑓

1

𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡


• Substituting for ∂E

y

/∂t in (20c) above gives

𝜕𝜕𝜇𝜇


𝑧𝑧

𝜕𝜕𝑥𝑥 = 𝑣𝑣

0

𝜀𝜀𝑓𝑓


1

𝜇𝜇



𝑧𝑧

=

𝜀𝜀



𝜇𝜇 � 𝑓𝑓

1



𝑑𝑑𝑥𝑥 + 𝐶𝐶

𝜕𝜕𝑓𝑓


1

𝜕𝜕𝑥𝑥 =


𝜕𝜕𝑓𝑓

1

𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕 𝑥𝑥 − 𝑣𝑣



0

𝑡𝑡

𝜕𝜕𝑥𝑥



= 𝑓𝑓

1



Hence      𝜇𝜇

𝑧𝑧

=



𝜀𝜀

𝜇𝜇



𝜕𝜕𝑓𝑓

1

𝜕𝜕𝑥𝑥



𝑑𝑑𝑥𝑥 + 𝐶𝐶 =

𝜀𝜀

𝜇𝜇



𝑓𝑓

1

+ 𝐶𝐶 =



𝜀𝜀

𝜇𝜇 𝜀𝜀


𝑦𝑦

+ 𝐶𝐶


• The constant of integration C that appears 

indicates that a field independent of could 

be present . The relation between H

z

and E



y

becomes


𝜇𝜇

𝑧𝑧

=



𝜀𝜀

𝜇𝜇 𝜀𝜀


𝑦𝑦

𝜀𝜀

𝑦𝑦



𝜇𝜇

𝑧𝑧

=



𝜇𝜇

𝜀𝜀


Similarly it can be shown that

𝜀𝜀

𝑧𝑧



𝜇𝜇

𝑦𝑦

= −



𝜇𝜇

𝜀𝜀

Since 𝜀𝜀 = 𝜀𝜀



2

𝑦𝑦

+ 𝜀𝜀



2

𝑧𝑧

H= 𝜇𝜇



2

𝑦𝑦

+ 𝜇𝜇



2

𝑧𝑧

where and H are the total electric and magnetic 



field strengths, there also results

𝜀𝜀

𝜇𝜇 =



𝜇𝜇

𝜀𝜀


• Above equation states that in a traveling

plane electromagnetic wave there is a definite

ratio between the amplitudes of and and

that this ratio is equal to the square root of

the ratio of permeability to the dielectric

constant of the medium.

• Since the units of are volts per meter and

the units of are amperes per meter, the ratio

𝜀𝜀

𝜇𝜇 =


𝜇𝜇

𝜀𝜀

will have the dimensions of impedance or ohms.



• For this reason it is customary to refer to the 

ratio  µ/𝜀𝜀 as the characteristic impedance or 



intrinsic impedance of the (non conducting) 

medium. For free space

𝜇𝜇 = 𝜇𝜇

𝑣𝑣

= 4𝜋𝜋 × 10



−7

ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑦𝑦𝑒𝑒/𝑚𝑚

𝜀𝜀 = 𝜀𝜀

𝑣𝑣



1

36𝜋𝜋 × 10

9

𝑓𝑓/𝑚𝑚


𝜇𝜇

𝜀𝜀 =


𝜇𝜇

𝑣𝑣

𝜀𝜀



𝑣𝑣

≈ 120𝜋𝜋 = 377 𝑜𝑜ℎ𝑚𝑚𝑒𝑒



• For any medium, whether conducting or not, 

the intrinsic impedance is designated by the 

symbol η. When the medium is free space or a 

vacuum, the subscript is used. That is, the 

intrinsic impedance of free space is

η

𝑣𝑣



=

µ

𝑣𝑣



𝜀𝜀

𝑣𝑣

= 377 ohms



• The relative orientation of E and may be 

determined by taking their dot product.

𝜀𝜀. 𝜇𝜇 = 𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜇𝜇



𝑦𝑦

+ 𝜀𝜀


𝑧𝑧

𝜇𝜇

𝑧𝑧



= η𝜇𝜇

𝑦𝑦

𝜇𝜇



𝑧𝑧

− η𝜇𝜇


𝑦𝑦

𝜇𝜇

𝑧𝑧



= 0

• Thus in a uniform plane wave, E and are at 

right angles to each other. 

𝜀𝜀𝑋𝑋𝜇𝜇 = �𝑥𝑥(𝜀𝜀

𝑦𝑦

𝜇𝜇



𝑧𝑧

− 𝜀𝜀


𝑧𝑧

𝜇𝜇

𝑦𝑦



) = �𝑥𝑥(η𝜇𝜇

𝑧𝑧

2



+ η𝜇𝜇

𝑦𝑦

2



)

= �𝑥𝑥η𝜇𝜇


2

• Thus the electric field vector crossed into the 

magnetic field vector gives the direction in 

which the wave travels.

• Notice that the electric and magnetic fields 

are at right angles to one another.

• They are also perpendicular to the direction 

of motion of the wave.



• This picture defines the coordinate system we 

will use in our discussion.  Wave propagates 

along the x-axis.  The electric field varies in the 

y-direction and the magnetic field in the z-

direction.


The Wave Equations for a Conducting Medium

• For regions in which the conductivity is not zero

and conduction currents may exist, the more

general solution must be obtained.

• Maxwell's equation

𝞩𝞩𝞩𝞩𝑯𝑯 = 𝜀𝜀 ̇𝑬𝑬 + 𝑱𝑱

(1)

𝞩𝞩𝞩𝞩𝑬𝑬 = −𝜇𝜇 ̇𝑯𝑯



(2)

• If the medium has a conductivity σ (mhos/m), the

conduction current density will be given by

Ohm's law:

𝑱𝑱 = 𝝈𝝈𝑬𝑬


40

The wave equation for a conducting 

medium

The  derivation of the wave equation with J≠0



dt

B

E



=

×



dt

D

J

H

+



=

×



H

B

B

E

×





=

×





=



×

−∇

=



×

×





t

t

t

o

µ

2



2

2

2



t

t

t

t

t

t

o

o

o

o

o





=





=







+





=

×



×



E



E

D

J

D

J

E

ε

µ



σ

µ

µ



µ

µ

E



D

E

J

ε

σ



=

=


• so that eq. (I) becomes

𝞩𝞩𝞩𝞩𝑯𝑯 = 𝜀𝜀 ̇𝑬𝑬 + 𝜎𝜎𝑬𝑬

(3)

• Take the curl of both sides of eq. (2) and then 



substitute into it the time derivative of (3).

𝞩𝞩𝑋𝑋𝞩𝞩𝑋𝑋𝜀𝜀 = −𝜇𝜇𝞩𝞩𝑋𝑋 ̇𝜇𝜇 = −𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀 − 𝜎𝜎𝜇𝜇 ̇𝜀𝜀

Recall that

𝞩𝞩𝑋𝑋𝞩𝞩𝑋𝑋𝜀𝜀 = 𝞩𝞩𝞩𝞩. 𝜀𝜀 − 𝞩𝞩

2

𝜀𝜀

Combining these last two equations, there 



results

𝞩𝞩

2



𝜀𝜀 − 𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀 − 𝜎𝜎𝜇𝜇 ̇𝜀𝜀 = 𝞩𝞩𝞩𝞩. 𝜀𝜀

(4)


• Now for any homogeneous medium in which 

𝜀𝜀

is constant



𝞩𝞩. 𝑬𝑬 =

1

𝜀𝜀



𝞩𝞩. 𝑫𝑫

• But 𝛻𝛻·=ρ and since there is no net charge 

within a conductor (although there may be a 

charge on the surface), the charge density ρ

equals zero and therefore

𝛻𝛻·D=O


𝞩𝞩

2

𝜀𝜀 − 𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜀𝜀 − 𝜎𝜎𝜇𝜇 ̇𝜀𝜀 = 0



(4)

This is the wave equation for E.



The wave equation for H is obtained

in a similar manner.

𝞩𝞩𝑋𝑋𝞩𝞩𝑋𝑋𝜇𝜇 = 𝜀𝜀𝛻𝛻𝑋𝑋 ̇𝜀𝜀 + 𝜎𝜎𝛻𝛻𝑋𝑋𝜀𝜀

𝞩𝞩𝞩𝞩𝑬𝑬 = −𝜇𝜇 ̇𝑯𝑯

𝛻𝛻𝛻𝛻. 𝜇𝜇 − 𝞩𝞩

2

𝜇𝜇 = −𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜇𝜇 − 𝜎𝜎𝜇𝜇 ̇𝜇𝜇



𝞩𝞩. 𝜇𝜇 =

1

µ



𝞩𝞩. 𝐵𝐵 = 0

𝞩𝞩

2



𝜇𝜇 − 𝜇𝜇𝜀𝜀 ̈𝜇𝜇 − 𝜎𝜎𝜇𝜇 ̇𝜇𝜇 = 0

This is the wave equation for H.



Sinusoidal Time Variations

In practice most generators produce voltages 

and currents, and hence electric and magnetic 

fields, which vary sinusoidally with time.



E

0

cos ωt



E

0

sin ωt

where  

f=ω/2π is the frequency of the variation. 

The above expressions suggest that a sinusoidal 

time factor would have to be attached to every 

term in any equation



• Fortunately this is not necessary since the 

time factor may be suppressed through the 

use of phasor notation.

• The time varying field E(r, t) may be expressed 

in terms of the corresponding phasor quantity 

E(r) as


�𝜀𝜀 𝑒𝑒, 𝑡𝑡 = 𝑅𝑅𝑒𝑒{𝜀𝜀 𝑒𝑒 𝑒𝑒

𝑗𝑗ω𝑡𝑡


}

• in which the symbol (˜) has been placed over 

the time-varying quantity to distinguish it 

from the phasor quantity.



• Consider one component at a time, say the 

component. The phasor E



x

is defined by the 

relation

𝜀𝜀

𝑥𝑥



𝑒𝑒, 𝑡𝑡 = 𝑅𝑅𝑒𝑒{𝜀𝜀

𝑥𝑥

𝑒𝑒 𝑒𝑒



𝑗𝑗ω𝑡𝑡

}

• Ex(r) is a complex number and thus at some 



fixed point r in space Ex may be represented 

as a point in the complex plane shown in Fig. 5

• Multiplication by e

jωt

results in a rotation 

through the angle ωt measured from the 

angle Φ.



Relationship between time-varying and phasor 

quantities

• As time progresses, the point e

jωt 

traces out a 

circle with centre at the origin.

• Taking the real part is the same as taking the 

projection on the real axis and this projection 

varies sinusoidally with time. 

• The phase of the sinusoid is determined by 

the argument Φ of the complex number Ex

and thus the time-varying quantity may be 

expressed as

𝜀𝜀

𝑥𝑥



= 𝑅𝑅𝑒𝑒 |𝜀𝜀

𝑥𝑥

|𝑒𝑒



𝑗𝑗Φ

𝑒𝑒

𝑗𝑗ω𝑡𝑡



= |𝜀𝜀

𝑥𝑥

|cos(ω𝑡𝑡 + Φ)



• Another possibility is to introduce a √2 factor

on the right-hand side of the phasor

definition, thus making |Ex| the rms value of

the sinusoid rather than the peak value.



Maxwell's Equations Using Phasor 

Notation.

• Corresponding set of phasor equations

applicable for sinusoidal time variations.

• Consider for instance the equation given in

time-varying form by

𝛻𝛻 × �


𝜇𝜇 =

𝜕𝜕�𝐷𝐷


𝜕𝜕𝑡𝑡 +

̃𝐽𝐽


• For the sinusoidal steady state we may 

substitute the phasor relations as follows:

• 𝛻𝛻 × Re 𝑯𝑯𝑒𝑒

𝑗𝑗𝑗𝑗𝑡𝑡


=

𝜕𝜕

𝜕𝜕𝑡𝑡



𝑅𝑅𝑒𝑒 𝑫𝑫𝑒𝑒

𝑗𝑗𝑗𝑗𝑡𝑡


+ 𝑅𝑅𝑒𝑒 𝑱𝑱𝑒𝑒

𝑗𝑗𝑗𝑗𝑡𝑡


• The operations of taking the real part and 

differentiation may be interchanged with the 

result that

Re 𝛻𝛻 × 𝜇𝜇 − 𝑗𝑗𝑗𝑗𝐷𝐷 − 𝐽𝐽 𝑒𝑒

𝑗𝑗𝑗𝑗𝑡𝑡

= 0


If the above relation is to be valid for all t, 

then


𝛻𝛻 × 𝜇𝜇 = 𝑗𝑗𝑗𝑗𝐷𝐷 + 𝐽𝐽

• which is the required differential equation 

in phasor form. 

• Evidently the phasor equation may be 

derived from the time-varying equation by 

replacing each time-varying quantity with 

a phasor quantity and each time derivative 

with a jω factor.



• For sinusoidal time variations Maxwell's equations may 

be expressed in phasor form as 



Differential                                      Integral

𝛁𝛁 × 𝑬𝑬 = −jω𝐵𝐵

∮ 𝑬𝑬 � 𝒅𝒅𝒅𝒅 = − ∫ jω𝐁𝐁 � 𝒅𝒅𝒅𝒅

𝛁𝛁 � 𝑫𝑫 = 𝝆𝝆

∮ 𝑫𝑫 � 𝒅𝒅𝒅𝒅 = ∫ 𝝆𝝆𝒅𝒅𝝆𝝆

𝛁𝛁 × 𝑯𝑯 = jω𝐷𝐷 + 𝑱𝑱

∮ 𝑯𝑯 � 𝒅𝒅𝒅𝒅 = ∫ jω𝐃𝐃 + 𝑱𝑱 � 𝒅𝒅𝒅𝒅

𝛁𝛁 � 𝑩𝑩 = 𝟎𝟎

∮ 𝑩𝑩 � 𝒅𝒅𝒅𝒅 = 𝟎𝟎

𝛻𝛻 � 𝐽𝐽 = −jω𝜌𝜌

∮ 𝑱𝑱 � 𝒅𝒅𝒅𝒅 = − ∫ jω𝜌𝜌𝒅𝒅𝝆𝝆


• The constitutive relations retain their forms, 

being D = 

𝜀𝜀

E, B = μH, J =σE.

• For sinusoidal time variations the wave 

equation  for the electric field in a lossless 

medium becomes

𝞩𝞩

2

𝜀𝜀 = −ω



2

𝜇𝜇𝜀𝜀𝜀𝜀


which is the vector Helmholtz equation. 

• In a conducting medium, the wave equation 

becomes

𝞩𝞩

2



𝜀𝜀 + (ω

2

𝜇𝜇𝜀𝜀𝜀𝜀 − 𝑗𝑗ω𝜎𝜎𝜇𝜇𝜀𝜀) = 0



• Equations of the same form may be written 

for 


H, of course.

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  • ELECTROMAGNETIC WAVES
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  • Uniform Plane Wave Solutions in the Time Domain (Cont’d)
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  • Relation between E and H in a Uniform Plane Wave.
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  • The Wave Equations for a Conducting Medium
  •  The wave equation for a conducting medium
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