Polarizarea undei

Radiația electromagnetică (EM) este o undă transversală. Aceasta înseamnă că perturbațiile câmpului electric și magnetic se propagă în direcția propagării undelor, nu în paralel, cum este în cazul undelor longitudinale (de exemplu, undele sonore). Direcțiile de vibrație ale vectorilor câmpurilor electrice (E) și ale vectorilor magnetici (B) sunt întotdeauna perpendiculare între ele și față de vectorul undei (direcția propagării undelor).

Figura 1. Reprezentarea schematică a undelor electromagnetice: x, y, z – direcțiile în spațiu, E – vectorul componentei electrice, B – vectorul componentei magnetice

Având în vedere ipotezele acceptate în mod obișnuit, referitoare la descrierea fenomenelor electromagnetice și faptul că câmpurile electrice și magnetice sunt indisolubile (se induc reciproc), informațiile adiționale se vor concentra numai asupra componentei electrice. Informațiile privind componenta magnetică sunt identice, ținând cont de perpendicularitatea sa față de componenta electrică.

Relația sistematizată între direcția de oscilare a vectorului câmpului electromagnetic (E) într-o undă electromagnetică dată și direcția de propagare a acestei unde se numește polarizare.

Sursele undelor electromagnetice sunt – printre altele – modificări legate de sarcina electrică: excitarea electronilor, oscilațiile moleculelor și a atomilor ionizați, precum și fluxul ordonat de sarcină electrică în conductori. În cazul undei electromagnetice radiate de sursa dată, oscilațiile vectorului câmpului electric au aceeași amplitudine (o singură sursă, de exemplu atomi de sodiu excitați în lămpi de sodiu), în toate direcțiile posibile care sunt perpendiculare pe direcția propagării undelor (orientarea spațială diferită a componentelor sursă, de exemplu, poziția atomilor de sodiu în întregul volum al arcului). Aceasta înseamnă că o undă electromagnetică nepolarizată este, de fapt, o suprapunere accidentală a multor valuri polarizate.

Figura 2. Ilustrația componentei electrice a unei unde electromagnetice nepolarizate: o vedere izometrică și perpendiculară pe direcția propagării undelor

Tipul de polarizare a undei electromagnetice informează despre forma pe care o are capătul vectorului E care se bazează pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor. În literatura de specialitate se disting trei tipuri principale de polarizare: liniară, circulară și eliptică.

Polarizarea liniară apare atunci când oscilațiile vectorului câmpului electric sunt într-un plan, indiferent de timp.
În cazul unui fascicul de unde electromagnetice care rulează pe orizontală, dacă perturbațiile câmpului electric oscilează în direcția perpendiculară pe suprafața Pământului, vorbim de polarizare verticală V (din limba engleză vertical), care este indicată ca și vectorul E_V.

Figura 3. Unda electromagnetică cu polarizare verticală (a) proiecție pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor, (b) proiecție izometrică

Dacă oscilațiile vectorului apar într-o direcție paralelă cu suprafața Pământului, atunci aceasta este o polarizare orizontală H (din limba engleză horizontal), care este indicată ca și vectorul E_H.

Figura 4. Unda electromagnetică cu polarizare orizontală (a) proiecție pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor, (b) proiecție izometrică

Câmpurile electrice se însumează în conformitate cu principiul adăugării vectorilor. Dacă există o polarizare verticală și orizontală în fasciculul electromagnetic, polarizarea liniară este obținută atunci când frecvențele undelor și direcțiile de propagare sunt identice, iar vibrațiile componente au aceeași fază sau schimbarea de fază este de ±180°. În funcție de mărimea amplitudinilor undelor componente, se schimbă unghiul de înclinare a polarizării undei electromagnetice rezultate. În cazul amplitudinilor egale și al compatibilității fazelor, unghiul de înclinare față de suprafața Pământului este de 45°.

Figura 5. Unda electromagnetică rezultată (albastru) cu o înclinație liniară la un unghi de 45°: (a) proiecție pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor, (b) proiecție izometrică

Polarizarea circulară are loc în cazul unei proiecții pe un plan perpendicular față de o undă electromagnetice propagatoare, când vectorul câmpului electric are o valoare constantă, iar direcția sa se schimbă în timp cu aceeași viteză unghiulară. În cazul unei singure perioade vectorul E efectuează un cerc complet.

Polarizarea circulară se poate obține – printre altele:

Valoarea schimbării de fază (+90° sau -90°) determină dacă undele electromagnetice sunt polarizate în sensul acelor de ceasornic sau invers. În cazul instrumentelor optice, se presupune că o undă electromagnetică polarizată este întotdeauna proiectată în sensul acelor de ceasornic dacă se propagă spre observator, iar sfârșitul vectorului câmpului electric se mișcă în conformitate cu sensul acelor de ceasornic.

Figura 6. Valoarea electromagnetică rezultată (albastră), cu polarizare circulară pe dreapta (așa cum este definită în optică): (a) proiecție pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor, (b) proiecție izometrică

Unda cu polarizare circulară pe stânga se propagă spre observator, iar vectorul E se mișcă în sens contrar acelor de ceasornic.

Figura 7. Valoarea electromagnetică rezultată (albastră), cu polarizare circulară pe stânga (așa cum este definită în optică): (a) proiecție pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor, (b) proiecție izometrică

Cu toate acestea, în domeniului tehnicii radio, o undă polarizată conform direcției de mișcare a acelor de ceasornic este considerată ca și o undă care se propagă în direcție opusă, adică de la observator, iar capătul vectorului câmpului electric se deplasează în conformitate cu mișcarea acelor de ceasornic.
În continuare va fi utilizată descrierea în conformitatea cu definițiile radioelectrice (formulate în anul 1942 de către IRE, actual IEEE).
Suprapunerea undelor electromagnetice în sensul acelor de ceasornic sau în sens contrar, cu amplitudini și faze compatibile propagă o undă electromagnetică polarizată vertical. O deplasare a fazei cu ±90° va da o undă electromagnetică polarizată orizontal.

Figura 8. Suprapunerea undelor electromagnetice cu polarizare circulară și direcții opuse. Unda electromagnetică rezultată (albastră) cu polarizare verticală: (a) proiecție pe un plan perpendicular pe direcția propagării undelor, (b) proiecție izometrică

Polarizarea eliptică apare atunci când vectorul câmpului electric în proiecția pe perpendiculara planului undei de propagare își schimbă direcția (viteza unghiulară nu trebuie să fie constantă în timp), precum și amplitudinea. În timpul unei perioade, vectorul E efectuează o rotație completă în jurul direcției de propagare a undei electromagnetice. La fel are loc și în cazul polarizării circulare – polarizarea eliptică se efectuează în două variante: în sensul acelor de ceasornic sau în direcția opusă.

Figura 9. Vederea vectorului câmpului electric rezultat (albastru) pe un plan perpendicular pe direcția de propagare a undelor electromagnetice. Polarizarea eliptică: (A) în conformitatea cu mișcarea acelor de ceasornic, (b) în sens contrar mișcării acelor de ceasornic

Având în vedere că polarizarea circulară (precum și polarizarea liniară) este un caz special de polarizare eliptică, metodele de formare a acestora sunt similare, cu doar mici modificări – printre altele:

Să trecem acum la undele electromagnetice polarizate vertical și orizontal cu amplitudini și frecvențe egale și direcții de propagare paralele. Faza de polarizare este suprapusă atunci când fazele sunt compatibile. Schimbarea de la 0° la 90° creează o polarizare eliptică în sensul mișcării acelor de ceasornic, până când se obține o polarizare circulară în sensul mișcării acelor de ceasornic cu o deplasare de fază de 90°. Prin deplasarea fazelor în continuare în intervalul de la 90° la 180°, se trece de la polarizarea circulară, prin cea eliptică, până la cea liniară, cu o deplasare de 180°. În intervalul de la 180° → 270° → 360°, situația este similară, ținând seama de schimbarea polarizării din sensul mișcării acelor de ceasornic în sensul opus. La o schimbare de fază de 360° situația inițială este restabilită.

Figura 10. Vederea vectorului câmpului electric rezultat (albastru) pe un plan perpendicular pe direcția de propagare a undelor electromagnetice. Schimbarea polarității datorată creșterii schimbării de fază între componentele undelor EM. Întoarcerea polarizării circulare și eliptice marcate cu săgeată roșie

Modificările polarizării au loc în mod echivalent dacă se ia în considerare suprapunerea undelor electromagnetice polarizate circular în sensul mișcării acelor de ceasornic și în sensul opus.

Toate undele electromagnetice emise natural (și o mare parte a undelor emise artificial) nu sunt polarizate. Printr-o serie de fenomene fizice (trecând printr-un mediu dielectric, reflexie de la un dielectric sau un conductor, efectul Rayleigh), anumite direcții de vibrații în vectorul câmpului electric pot fi mai intense. Efectul este formarea unui fascicul de unde electromagnetice parțial polarizate. În cazuri specifice (undele multiple EM trecând printr-un dielectric, trecând și prin materiale care separă radiațiile electromagnetice cu polarizări ortogonale – materiale cu caracter birefringent, reflexie de la suprafața metalică sau la unghiul Brewster de la dielectric), undele electromagnetice pot fi polarizate complet.

Așadar, polarizarea undelor electromagnetice de origine naturală este întotdeauna un efect secundar. Polarizarea undelor electromagnetice generate în mod artificial a găsit cea mai mare aplicație în domeniul frecvențelor radio
a semnalelor TV și radio transmise terestru, iar rețelele Wi-Fi utilizează polarizarea liniară. Majoritatea țărilor din Europa, printre altele: Republica Cehă, Spania, Germania, Polonia sau Marea Britanie emit semnalul folosind polarizarea orizontală.

Figura 11. Antenă direcțională 17/21-60/TRIDIGIT (de tip Yagi-Uda) setată pentru recepționarea televiziunii cu polarizarea: (a) verticală, (b) orizontală

Dacă undele electromagnetice se propagă în straturile inferioare ale atmosferei (propagare troposferică) polarizarea poate fi modificată ca urmare a reflecțiilor de semnal cauzate de diferite suprafețe – de exemplu acoperișurile clădirilor. Atunci când semnalul se reflectă sau trece prin straturile superioare ale atmosferei (propagarea ionosferică), planul de polarizare (puternic dependent de lungimea undei electromagnetice) se modifică. Direcția de polarizare se schimbă spre stânga (și invers) și / sau au loc schimbările de polarizare de la liniar la eliptic. (Efectul Faraday).

Este important ca antena receptoare să fie în același plan cu antena de transmisie (pentru undele polarizate liniar) sau să aibă o poziție corespunzătoare (pentru polarizarea circulară și eliptică). Aceasta va evita efectul de atenuare a polarizării (inconsecvența dintre polaritatea antenei receptoare și polarizarea semnalului de intrare).

Atenuarea polarizării unei unde polarizate liniare crește împreună cu creșterea unghiului dintre planurile de polarizare. Atenuarea maximă este înregistrată pentru semnalul de polarizare ortogonală (puterea semnalului scade cu până la 30 dB). Pentru a minimiza acest efect, deseori sunt folosite antene proiectate pentru polarizarea circulară. Recepția unei unde cu polarizare circulară cu o antenă dedicată pentru polarizarea circulară în sensul opus mișcării acelor de ceasornic este, de asemenea asociată cu o atenuare sporită. Adesea, nu se folosește o singură antenă cu structură spiralată ci antene dipol încrucișate. Această idee vă permite să mențineți un semnal stabil care este atenuat cu 3 dB, dar nu depinde de polarizarea undei recepționate.

Transmisia semnalului satelit este efectuată în mod normal prin intermediul undelor EM cu polarizare circulară. Polarizarea circulară se utilizează ca suprapunere a undelor ortogonale liniar polarizate. Acest lucru vă permite să dublați numărul de canale transmise – prin modularea unui canal TV separat cu fiecare dintre undele componente.

În radiolocația modernă se folosesc unde EM cu polarizări diferite, iar selecția depinde de rezultatele așteptate ale observării. Polarizarea liniară este utilizată, de exemplu, pentru detectarea obiectelor metalice (după reflexie, întoarcerea undei polarizate eliptic) sau pentru observațiile meteorologice. Polarizarea circulară este utilizată în situațiile când este necesar să se minimizeze atenuarea cauzată de prezența apei sub formă de ceață, nori sau precipitații atmosferice.

Fenomenul polarizării undelor EM a fost, de asemenea, aplicat în multe domenii ale științei – de la astronomie (de exemplu, a ajutat la detectarea apei în inelele lui Saturn sau la examinarea radiațiilor de fond ale microundelor), prin biologie (de exemplu, studiile de structură și dimensiuni a virușilor), chimie (de exemplu, detectarea enantiomerilor), medicină (de exemplu, înțelegerea structurii nucleului atomic), precum și în industria ușoară și grea (polarimetrie, detectoscopie), în divertisment (proiecte 3D) sau în obiecte utilizate în mod obișnuit (ecrane LCD sau ochelari de soare).

Radiația electromagnetică este totodată o undă și un flux de particule (fotoni). Conceptul de polaritate a undelor EM provine din electrodinamica clasică și are un echivalent în mecanica cuantică sub forma numărului de spin (spin) al unui foton. Fiecare cuantă a radiației EM se caracterizează prin energie (frecvență) și are faza sa, precum și un spin egal cu 1 sau -1, iar „axa spinului” este întotdeauna paralelă cu direcția propagării undelor. Se utilizează și concepția de rotire în conformitate cu mișcarea acelor de ceasornic sau în sens contrar.

Figura 12. Foton cu numărul de spin: (a) 1 –în conformitate cu mișcarea acelor de ceasornic, (b) -1 – în sens contrar mișcării acelor de ceasornic

Polarizarea liniară a undei electromagnetice apare atunci când în fluxul de fotoni, cu aceeași probabilitate, pot fi observați cei care se rotesc atât în sensul acelor de ceasornic, cât și în sens opus. Polarizarea circulară în sensul acelor de ceasornic înseamnă o dominație a fotonilor cu spin în sensul acelor de ceasornic; la fel se întâmplă în cazul polarizării în sensul opus acelor de ceasornic. O undă EM nepolarizată corespunde unui fascicul de fotoni, care sunt diferite superpoziții ale stărilor 1 și -1 ale numărului de spin.