Gino Di Ruberto ha scritto:
> Il giorno domenica 13 novembre 2016 14:48:33 UTC+1, BlueRay ha scritto:
>> Scusa una domanda: ma in un'onda elettromagnetica /non piana/ nel
>> vuoto, E e B possono essere non in fase?
>
> Ciao BlueRay,
> ecco un esempio:
> ...
Tutto bene, ma perché cercare un'onda non piana?
Ecco un esempio molto molto più semplice.
1. Parto da un'onda piana monocrom. che si propaga lungo z, con E
polarizzato lungo x:
Ex = E sin(kz-wt) (k = w/c)
By = (E/c) sin(kz-wt).
Lascio a voi verificare che le eq. di Maxwell nel vuoto (SI) sono
soddisfatte.
Qui E e B sono *in fase*.
2. Prendo poi un'onda che si propaga anch'essa lungo z, ma nel verso
negativo:
Ex = E sin(kz+wt)
By = -(E/c) sin(kz+wt).
Anche questa soddisfa le eq. di M.
Notare il segno - in By: questo è necessario perché i vettori E, B, k
debbono sempre formare una terna destra.
3. Anche la somma di 1 e 2 è sol. delle eq. di M.:
Ex = 2E sin(kz) cos(t)
By = -(2E/c) cos(kz) sin(wt).
Si vedono diverse cose:
a) In un punto z qualsiasi, Ex e By sono *sfasati* nel tempo di 90°.
b) Questa è un'onda *stazionaria* (in tutti i punti Ex oscilla in
fase, e lo stesso Bz).
c) E si annulla per z=0, B non si annulla.
Questo significa che si poteva ottenere l'onda staz. 3 (per z<0)
facendo riflettere 1 su un piano conduttore di eq. z=0.
Oppure si poteva ottenere la 3 per z>0 facendo riflettere 2 sullo
stesso piano.
d) L'onda stazionaria 3 è ancora *piana*: infatti ampiezza e fase
dipendono solo da z e t, non da x e y.
4. Torniamo ora a 1, per risolvere il "mistero di S".
Ah, chiedo scusa: sembra che qui non tutti sappiano che il simbolo
universalmente adottato per il vettore di Poynting è S...
Si ha: S = ExH (vettori), Quindi S ha solo la componente z:
Sz = (E^2/Z0) sin^2(kz-wt). (*)
Noterella per i più piccini: essendo B = mu0 H, il modulo di S è
EB/mu0 = E^2/(c*mu0).
Essendo c = 1/sqrt(eps0*mu0) si ha c*mu0 = sqrt(mu0/eps0) = Z0.
Dalla (*) si vede (fondamentale scoperta del 2016, come sappiamo) che
Sz è sempre positivo (al più nullo).
Il suo valor medio nel tempo è E^2/(2Z0).
Ma perché dipende dal tempo e anche da z?
Calcoliamo, per la stessa onda, la densità di energia:
U = (eps0*Ex^2/2) + By^2/(2*mu0) =
[eps0*E^2/2 + E^2/(2*c^2*mu0)] sin^2(kz-wt) =
eps0*E^2 * sin^2(kz-wt).
Si vede che anche U dipende dal tempo: l'energia contenuta in un
volume fissato non è costante, ma oscilla (con frequenza *doppia*
dell'onda).
Calcoliamo @U/@t:
@U/@t -= w*eps0*E^2 * sin[2(kz-wt)].
Calcoliamo div S = @Sz/@z:
div S = k*E^2/Z0 * sin[2(kz-wt)] = -@U/@t.
Oh meraviglia! Abbiamo scoperto ... il teorema di Poynting!
Se calcoliamo gli integrali di volume di div S e di @U/@t in un
cubetto di lato a, tra z e z+a, otteniamo rispettivamente:
- l'energia che attraversa in uscita, per unità di tempo, la
superficie del cubetto
- la variazione (sempre per unità di tempo) dell'energia del campo nel
cubetto.
I due integrali hanno valori opposti, il che vuol dire che di tanto
diminuisce l'energia nel cubetto quanta ne esce dalla superficie, e
viceversa.
Per un'onda progressiva entrambe le grandezze sono oscillanti: ci sono
intervalli
a) in cui l'energia nel cubetto diminuisce (l'energia esce)
e altri
b) in cui aumenta (l'energia entra).
Dato che S non è mai negativo, l'energia si propaga sempre verso
destra. Però nelle due fasi succedono cose diverse:
a) in questa fase è più l'energia che esce dalla faccia di destra di
quella che entra dalla faccia di sinistra: S(z+a) > S(z)
b) in questa fase invece è più l'energia che entra dalla faccia di
sinistra di quella che esce dalla faccia di destra: S(z) > S(z+a).
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Elio Fabri