Электромагнитные волны должны прекратиться при встрече с проводящей оболочкой?

Я ученик средней школы, который только начал читать элементарный электромагнетизм, и я совершенно новичок в этом предмете.

Я читал в книгах, что электромагнитные волны - это не что иное, как синусоидальные колебания электрических полей (и одновременные синусоидальные колебания индуцированного магнитного поля, что очевидно, как и предсказывается законом индукции Максвелла ), которые распространяются в пространстве со скоростью света c. ,

Я также узнал, что незаряженная проводящая оболочка, погруженная во внешнее электрическое поле (как предсказано законом электричества Гаусса ), не позволит внешним линиям электрического поля проникать в оболочку и действовать как так называемая клетка Фарадея .

Вот где-то мне показалось абсурдным

Если я погрузлю проводящую оболочку в синусоидально изменяющееся и распространяющееся внешнее электрическое поле - тогда, когда возмущение поля достигнет оболочки, она никоим образом не проникнет внутрь нее, чтобы воздействовать на внутреннюю часть оболочки, и поле внутри оболочки останется нулевым ,

Но это означает, что электромагнитные волны не могут проникнуть внутрь оболочки, не так ли?

Здесь все идет не так: прозрачная проводящая оболочка - это просто парадокс? Где мои рассуждения пошли не так? Каков источник моего большого заблуждения?

Я не мог найти удовлетворительного ответа в Интернете; Требуется элементарное объяснение - поскольку, как я сказал ранее, я начинающий и хочу прояснить свои заблуждения на начальном уровне.

Floris

Очень просто: просто потому, что что-то истинно в статическом случае, не автоматически делает это истинным в динамическом случае.

Чтобы отклонить статическое электрическое поле изнутри оболочки, достаточно для того, чтобы заряды на поверхности оболочки перемещались сколь угодно медленно, чтобы они могли расположиться так, чтобы уничтожить поле. Это закон Гаусса.

Когда электрическое поле меняется, электроны должны двигаться, чтобы приспособиться к новой ситуации. Это приводит к двум вещам:

1. Ток, который течет (который сам становится источником электромагнитного излучения)
2. Задержка (из-за сопротивления в оболочке) - если электроны движутся быстро, ток ощущает сопротивление оболочки; это создает напряжение, которое «замедляет их»

Из-за этих двух вещей электромагнитная волна не (полностью) отклоняется проводящей оболочкой - насколько хорошо она отклоняется, зависит от частоты волны и свойств материала (удельного сопротивления, а также магнитных свойств, которые приводят к скин-эффекту) - снаружи из сферы вашего вопроса, но важно).

Конечным результатом является то, что проводящая оболочка будет отражать (часть) электромагнитной волны - она ​​действует как рассеиватель (токи, протекающие в оболочке, генерируют электромагнитное поле). Когда она очень мала по сравнению с длиной волны, то поле, которое она испытывает, является «квазистатическим» - другими словами, электроны успевают двигаться - и волна едва ли замечает, что оболочка находится там; когда он велик по сравнению с размером волны, он становится лучше рассеивателем.

Когда мы говорим об оптике (электромагнитные волны очень высокой частоты), тогда длина волны намного, намного меньше размера объекта, и атомные свойства материала (проводник, диэлектрик) становятся важными для понимания поведения - но я не думаю, что это был ваш вопрос.

Роб Джеффрис

Ваше заблуждение является применением закона Гаусса.

Существуют решения уравнений Максвелла (включая закон Гаусса), которые допускают наличие электрического поля внутри оболочки.

Если внутри оболочки нет зарядов, закон Гаусса гласит, что число линий электрического поля, входящих в оболочку, должно быть равно числу выходящих.

Примером поля, которое удовлетворяет этому, было бы поле, перпендикулярное радиусу вектора. Но в электромагнитной волне E-поле перпендикулярно движению волны, поэтому, если вы запускаете волну по направлению к центру оболочки, это условие автоматически выполняется. Часть волны (см. Ответ Флориса) может пройти через нее, и это никоим образом не нарушает закон Гаусса.

Изменить: Еще один способ думать об этом, если нет внутренних зарядов (или токов), единственный способ, которым вы можете создать E-поле, касательное к поверхности, через закон Фарадея через изменяющееся B-поле - т.е. зависящие от времени поля.

Фил Х

Это точка клетки Фарадея.

Хотя часть электромагнитного поля может проникать внутрь оболочки, при различных обстоятельствах возникает эффект, когда проводящая оболочка образует пустоту в распространяющемся электромагнитном поле. Для ясности, однако, ЭМ поля не просто «останавливаются» - они состоят из фотонов, которые отражаются на таком интерфейсе.

Рассмотрим микроволновую печь; металлическая решетка на окне спереди предназначена для отражения микроволн и удержания их внутри духовки; с другими металлическими стенками это формирует клетку Фарадея, чтобы держать EM внутри .

Ключ - деталь проводящей оболочки; отражение / поглощение определяется как проводимостью, так и размером отверстий на поверхности. Таким образом, экран микроволновой печи имеет достаточно большие отверстия, чтобы пропустить свет (длина волны <1 мкм), но не микроволны (длина волны> 10 см).

Мы можем увидеть аналогичный эффект на гамма-частотах, где гамма-лучи проникают даже в металлические пластины, потому что металл действительно состоит из сетки атомов; Гамма-лучи имеют длину волны <1 мкм (10 -12 м) по сравнению с межатомным расстоянием Ангстрема (10 -10 м, или 100 с гамма-длин волн).

Мораль сказки заключается в том, что допущения модели имеют значение в крайних случаях; нет идеально сплошных, идеально проводящих поверхностей, поэтому нет идеальных клеток Фарадея. Но все же для большинства приложений, когда ограничения понятны, теория работает просто отлично.

Забавные вещи: электромагнитная волна, падающая на металлическую поверхность, может соединиться со свободными электронами в металле, создавая бегущую волну, которая захвачена на поверхности (поскольку электроны все вместе называют плазмой, это известно как поверхностный плазмон), и эта волна движения электронов создает свою собственную бегущую электромагнитную волну - вместе это известно как поверхностный плазмонный поляритон. Теоретически, можно создать идеальные линзы, отрицательные показатели преломления и даже невидимые маскировки с такими вещами.

Гаусс - это только начало EM.

Редактирование поверхностного плазмонного резонанса:

Для немного больше информации о поверхностных плазмонах, цитируя:

Условие резонанса устанавливается, когда частота падающих фотонов совпадает с собственной частотой поверхностных электронов, колеблющихся против восстанавливающей силы положительных ядер.

Поскольку связь между поступающими фотонами и плазмой на поверхности является резонансной связью, точная частота очень чувствительна к условиям на поверхности, и это используется для создания высокочувствительных датчиков, обнаруживающих молекулярную адсорбцию на поверхности.