Bangos poliarizacija

Elektromagnetinis spinduliavimas (EM) yra skersine banga. Tai reiškia, kad elektrinio lauko ir magnetinio lauko sutrikimai eina skersai bangos propagavimo kryptimi, o ne lygiagrečiai, taip kaip vyksta išilgų bangų atveju (pvz. garso). Elektrinių laukų ir (E) ir magnetinių laukų vektorių virpėjimo kryptys (B) yra visada statmenai savęs atžvilgiu, o taip pat bangų vektoriaus atžvilgiu (bangų propagavimo kryptimi).

1 pieš. Scheminis elektromagnetinės bangos pristatymas: x, y, z – kryptys erdvėje, E – elektrinių komponentų vektorius, B – magnetinių komponentų vektorius.

Atsižvelgiant į bendrai priimtas prielaidas, susijusias su elektromagnetiniais reiškiniais, o taip pat faktas, kad elektriniai ir magnetiniai laukai yra nenutraukiami (vieni kitus indukuoja), tolimesni svarstymai sutelks dėmesį į elektrinius komponentus. Magnetinių komponentų svarstymai yra analogiški, atsižvelgiant jų statmenumo elektrinių komponentų atžvilgiu.

Sistematizuotas santykis tarp elektros lauko vektoriaus krypties osciliacijos (E) tam tikroje elektromagnetinėje bangoje ir tos bangos propagavimo kryptimi vadinasi polariarizacija.

Elektromagnetinių bangų šaltinis tarp kitų yra pokyčiai susiję su elektriniu krūviu:elektronų sukėlimas, dalelių osciliacija ir jonizuotų atomų, o taip pat sutvarkytas elektrinio plaukimo laiduose plaukimas. Spinduliuojančioje per tam tikrą elektromagnetinės bangos šaltinį elektrinio lauko vektoriaus osciliacijos vyksta su vienoda amplitude (viena šaltinio rūšis, pvz. pakelti natrio atomai natrio lempose), visomis galimomis kryptimis, kurios yra statmenos bangų platinimo kryptimi (įvairūs orientuoti erdvūs šaltinio elementų komponentai, pvz. natrio atomų padėtis, visoje lanko vamzdžio apimtyje). Tai reiškia, kad nesupoliarizuota elektromagnetinė banga realiai yra atsitiktine super daugeli poliarizuotų bangų pozicija.

2 pieš. Elektromagnetinės bangos nesupoliarizuoto elektrinio komponento iliustracija: izometrinis ir skersinis bangų sklidimo krypties atžvilgiu momentinė

Apie elektromagnetinių bangų poliarizacijos rūšį informuoja pavidalas, išbraukia vektoriaus pabaigą E statmenoje plokštumoje bangų sklidimo atžvilgiu. Literatūroje yra išskiriami trys pagrindiniai poliarizacijos rūšys: linijinis, rutulinis ir elipsinis.

Linijinė poliarizacija vyksta, kuomet elektrinio lauko vektoriaus osciliacijos vyksta vienoje plokštumoje, nepriklausomai nuo laiko.
Elektromagnetinių bangų, einančių horizontaliai pluoštų atveju, jeigu elektrinio lauko sutrikimai osciliuoja statmena kryptimi Žemės paviršiaus atžvilgiu, kalbama apie vertikalią poliarizaciją (z ang. vertical), ženklinamos kaip vektorius E_V.

3 pieš. Elektromagnetinė banga apie vertikalią poliarizaciją: (a) statmeninės bangų sklidimo krypties momentinė, (b) izometrinė momentinė

Jeigu vektoriaus osciliacijos vyksta lygiagrečia kryptimi Žemės atžvilgiu, tai yra H horizontali poliarizacija (iš ang. horizontal), reiškia kaip vektorius E_H.

4 pieš. Elektromagnetinė banga apie horizontalia poliarizaciją: (a) statmeninės bangų sklidimo krypties momentinė, (b) izometrinė momentinė

Elektriniai laukai yra apibendrinami pagal vektorių pridėjimo taisyklę. Jeigu elektromagnetinių bangų pluošte yra poliarizacijos vertikali ir horizontali, tai linijinė poliarizacija, yra pasiekiama tuomet, kai bangų dažnumai ir jų sklidimo kryptys yra vienodos, virpesių komponentai turi suderintą fazę arba fazių perstūmimas yra ±180°. Priklausomai nuo sudedamųjų bangų amplitudžių dydžio pasikeičia elektromagnetinės bangos poliarizacijos nukrypimo kampas. Lygių amplitudžių ir Žemės paviršiaus suderinamumo fazės nukrypimo kampas yra 45°.

5 pieš. Elektromagnetinės bangos atstojamoji (mėlyna) apie linijinę poliarizaciją, nukreiptą 45° kampu: (a) statmeninės bangų sklidimo krypties momentinė, (b) izometrinė momentinė

Rutulinė poliarizacija vyksta tuomet, kuomet plotmėje statmenai elektromagnetinės bangos elektrinio lauko vektoriaus sklidimo priekiui turi pastovią vertę, tačiau jos kryptis pasikeičia kartu su vienodu kampų greičiu. Vieno bangos laikotarpio vektorius E apsuka visą ratą.

Rutulinę poliarizaciją galima pasiekti dėl:

Bangų perstūmimo fazė (+90° arba –90°) nulemia ar elektromagnetinė banga supoliarizuota rutuliniu būdu į dešinę ar į kairę. Optikoje yra priimta, kad elektromagnetinė banga supoliarizuota į dešinę pusę, jei sklinda stebėtojo kryptimi, o elektrinio lauko vektoriaus pabaiga juda pagal laikrodžio krypčių judėjimą.

6 pieš. Elektromagnetinės bangos atstojamoji (mėlyna) apie rutulinę poliarizaciją į dešinę (pagal optikos sąvoką): (a) statmeninės bangų sklidimo krypties momentinė, (b) izometrinė momentinė

Banga supoliarizuota į kairę sklinda stebėtojo kryptimi, o vektorius E juda atvirkščiai negu laikrodžio rodyklių judėjimas.

7 pieš. Elektromagnetinės bangos atstojamoji (mėlyna) rutulinės poliarizacijos, į kairę (pagal optikos sąvoką): (a) statmeninės bangų sklidimo krypties momentinė, (b) izometrinė momentinė

Tačiau radijo technikoje su supoliarizuota į dešinę, pripažinama yra tokia banga, kuri sklinda priešinga kryptimi, t.y. nuo stebėtojo, o elektrinio lauko vektoriaus galas taip pat juda pagal laikrodžio rodyklių judesiu.
Tolimesniuose svarstymuose bus taikomas aprašas, atitinkantis sąvokai priimtai radijo elektronikoje (sudaryta 1942 metais IRE, šiuo metu IEEE).
Super pozicija elektromagnetinių bangų, supoliarizuotų rutulio formoje, į dešinę ir kairę apie sutampančias amplitudes, o taip pat fazes teikia atstojamąją elektromagnetinę bangą, supoliarizuotą vertikaliai. Fazės perstūmimas ±90° kampu suteiks elektromagnetinę supoliarizuotą bangą horizontaliai.

8 pieš. Elektromagnetinių bangų, rutulinės poliarizacijos su atvirkštiniais grįžimais super pozicija. Elektromagnetinės bangos atstojamoji (mėlyna) su vertikalia poliarizacija: (a) statmeninės bangų sklidimo krypties momentinė, (b) izometrinė momentinė

Elipsinė poliarizacija vyksta tuomet, kai elektrinio lauko vektorius atžvilgiu statmenos į sklidimo bangos plokštumos priekį keičia savo kryptį (kampinis greitis neturi būti pastovus laike), o taip pat amplitude. Vieno laikotarpio metu vektorius E atlieka vieną pilną apsisukimą aplink elektromagnetinės bangos sklidimo krypties. Taip pat kaip rutulinės poliarizacijos atveju - elipsinė poliarizacija yra dviejuose variantuose: į dešinę ir kairę.

9 pieš. Energetinio lauko (mėlynas) vektoriaus atstojamosios į statmeną plokštumą elektromagnetinės bangos sklidimo kryptimi momentinė. Elipsinė poliarizacija: (a) į dešinę, (b) į kairę

Atsižvelgiant į tai, kad rutulinė poliarizacija (kaip ir linijinė) tai išimtinis elipsinės poliarizacijos atveji, jų atsiradimo būdai yra analogiški, su lengvais pakeitimais, ir tarp kitų:

Pereikime į elektromagnetines, supoliarizuotas vertikaliai ir horizontaliai, su vienodomis amplitudėmis ir dažniais, o taip pat lygiagrečias sklidimo kryptimis bangas. Fazėms suderinamoms su super pozicija yra linijinė poliarizacija. Fazių perstūmimas nuo 0° iki 90° priveda prie elipsinės poliarizacijos į dešinę atsiradimą, tol kol bus pasiekiama rutulinė poliarizaciją į dešinę, kai fazių perstūmimas yra lygus 90°. Perstumiant fazes nuo 90°iki 180°, pereiname iš rutulinės poliarizacijos per elipsinę, net iki linijinės, esant lygiam perstūmimui 180°. Tokiu atveju 180° → 270° → 360° situacija atrodo analogiškai, atsižvelgiant į poliarizacijos pakeitimus iš dešinės į kairę. Fazių perstūmimo metu esant 360° vyksta grįžimas į pradinę situaciją.

10 pieš. Energetinio lauko (mėlynas) vektoriaus atstojamosios į statmeną plokštumą elektromagnetinės bangos sklidimo kryptimi momentinė. Poliarizacijos pakeitimas dėl fazinio perstūmimo didėjimo tarp EM bangų. Rutulinės ir elipsinės poliarizacijos grįžimas paženklintas raudona strėle.

Poliarizacijos pokyčiai vyksta lygiagrečiai, jeigu analizuojama elektromagnetinių bangų,supoliarizuotų rutulyje į dešinę ir į kairę super pozicija,

Visos natūraliai skleidžiamos elektromagnetinės bangos (ir ženkli dirbtinės kilmės bangų dalis) yra nesupoliarizuota. Dėl daugelio fizinių reiškinių (perėjimas per dielektrinį centrą, atspindys nuo dielektriko ir vadovo, Rayleigh išsklaidymas) gali prieiti prie kai kurių elektrinio lauko vektoriaus virpesių krypčių pirmumo. To efektu yra elektromagnetnių bangų, dalinai supoliarizuoto pluoštų atsiradimas. Skirtingais atvejais (daugkartinis perėjimas EM bangos per dielektriką, perėjimas per medžiagas atskiriančias elektromagnetinį spinduliavimą su statmenomis poliarizacijomis -dvejopo pobūdžio medžiagos, atspindys nuo metalinio paviršiaus arba Brewstero kampu nuo dielektriko) gali prieiti prie visiškos elektromagnetinės bangos poliarizacijos.

EM bangų poliarizacija natūralios kilmės, visada yra antriniu efektu. Elektromagnetinių bangų, skleidžiamų dirbtiniu būdu poliarizacija surado didžiausią panaudojimą radijo bangose.
Televizijos ir radijo bangos, transliuojamos antžeminiu būdu, o taip pat Wi-Fi tinklai išnaudoja linijinę poliarizaciją. Dauguma šalių.: Čekija, Prancūzija, Ispanija, Vokietija, Lenkija ar Didžioji Britanija, siunčiant DVB-T signalą, naudoją horizontalią poliarizaciją.

11 pieš. Kryptinė antena 17/21-60/TRIDIGIT (tipas Yagi-Uda) nustatyta antžeminės televizijos signalo gavimui, kur poliarizacija: (a) vertikali, (b) horizontali

Jeigu elektromagnetinės bangos išsisklaido į apatinius atmosferos sluoksnius (troposferinis sklidimas), gali prieiti prie poliarizacijos plokštumos susukimo dėl signalo atsimušimo nuo įvairių paviršių, pvz. pastatų stogai. Atsimušimo arba signalo perėjimo per viršutinius atmosferos sluoksnius (jonosferinis sklidimas) atveju taip pat prieina prie poliarizacijos plokštumos susukimo (stipriai priklauso nuo elektromagnetinių bangų ilgio), poliarizacijos krypties iš kairės į dešinę pakeitimas (ir atvirkščiai) ir/arba ir poliarizacijos ir linijinės į elipsinę pakeitimas (Faraday efektas).

Esminis dalykas yra, kad antena- imtuvas vienoje plokštumoje su antena- siųstuvu (bangoms supoliarizuotoms linijiniu būdu) arba turėjo atitinkamą pakeitimą (rutuliniei ir elipsinei poliarizacijai). Ta teiks poliarizacijos slopinimo efekto vengimą (nesutikimas tarp antenos- imtuvo ir ateinančio signalo poliarizacijos).

Linijiniu būdu supoliarizuotos bangos poliarizacijos slopinimas kartu su kampo didėjimu tarp poliarizacijos plokštumų. Slopinimo maksimumas pastebimas signalui esant statmenai poliarizacijai (signalo galia krenta net iki 30 dB). Kad sumažinti šio efekto įtaką, dažnai yra naudojamos antenos skirtos rutulinei poliarizacijai. Rutulinės poliarizacijos į dešinę bangos priėmimas per anteną, skirtą rutulinei į kairę poliarizacijai, taip pat yra susiję su dideliu slopinimu. Dažnai nėra naudojama pavienė antena, spyruoklinės sandaros tik sukryžiuoti dipoliai. Tai teikia stabilaus signalo išlaikymą, kuris yra silpnesnis 3 dB, bet nepriklauso nuo priimamos bangos poliarizacijos.

Palydovinės televizijos signalo siuntimas yra dažniausiai vykdomas per EM bangas, esant rutulinei poliarizacijai. Rutulinė poliarizacija yra naudojama kaip supoliarizuotų linijiniu būdu statmenai bangų pozicija. Tai teikia siunčiamų kanalų kiekio dvigubą padidinimą - moduliuojant atskirą televizijos kanalą kiekvieną iš bangų komponentų.

Šiuolaikinėje radiolokacijoje yra taikomos EM bangos, įvairios poliarizacijos, o parinkimas yra priklausomas nuo tikimų stebėjimo rezultatų. Linijinė poliarizacija yra išnaudojama pvz. metalinių objektų detekcijai (po atsimušimo grįžta elipsinė supoliarizuota banga) arba meteorologiniams stebėjimams. Rutulinė poliarizacija yra naudojama ten, kur būtinas yra slopinimo dėl vandens buvimo mažinimas, rūko, debėsų ar atmosferinių kritulių formoje.

EM bangų poliarizacijos reiškinys taip pat yra naudojama daugelyje mokslo srityse - astronomijoje (pvz.padėjo surasti vandenį Saturno žieduose arba tirti pagrindo mikrobanginį spinduliavimą), biologijoje (pvz. virusų dydžio ir sandaros tyrimai), chemijoje (pvz.enancjomerių išjautimas), medicinoje, atominėje fizikoje (pvz. atominio branduolio sandaros pažinimas), o taip pat lengvoje ir sunkioje pramonėje (polarimetrija, defektoskopija), pramogose (3D projekte) ar kasdieninio naudojimo daiktuose (LCD ekranai ar nuo saulės apsaugantys akiniai).

Elektromagnetinis spinduliavimas vienu metu yra banga ir dalelių (fotonų) šaltinis. Kilęs iš klasikinės elektrodinamikos EM bangos poliarizacijos supratimas turi atitikimą kvantinėje mechanikoje, fotono sukinio skaičiaus vertės formoje. EM kiekvienas spinduliavimo kvantas pasižymi energija (dažnumas) ir jos faze, ir lygiu sukiniu 1 arba –1, o "sukinio ašis" yra visada lygiagreti su bangų sklidimo kryptimi. Pakaitomis yra naudojamas taip pat sukinys į dešinę ir kairę.

12 pieš. Fotonas: (a) 1 – atitinkantis rutulinei poliarizacijai į dešinę, (b) -1 – rutulinei poliarizacijai į kairę

Elektromagnetinės bangos linijinė poliarizacija vyksta tuomet, kai fotonų sraute su vienoda tikimybe galima pastebėti tuos, kurių sukinys sukasi į dešinę ir į kairę. Rutulinė poliarizacija į dešinę, tai fotonų dominavimas su sukiniu, kuris sukasi į dešinę, analogiškai yra rutulinės poliarizacijos sukimosi į kairę atveju. EM banga nesupoliarizuota atitinka fotonų pluoštui, kurie yra skirtingomis 1 ir 1 - sukinio skaičiaus stovių super pozicijomis.