[论文解读] On the Superposition and Elastic Recoil of Electromagnetic Waves

H.G. Schantz|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 22被引用 7

一句话总结

本文利用理想化的传输线模型研究电磁波的叠加与弹性回弹现象，表明相长干涉使能量（电能形式）加倍，而相消干涉则使能量转化为磁能形式。关键发现是叠加波可表现出任意阻抗并似乎发生弹性回弹，这一现象挑战了传统解释，并为量子力学与近场应用提供了新见解。

ABSTRACT

Superposition demands that a linear combination of solutions to an electromagnetic problem also be a solution. This paper analyzes some very simple problems: the constructive and destructive interferences of short impulse voltage and current waves along an ideal free-space transmission line. When voltage waves constructively interfere, the superposition has twice the electrical energy of the individual waveforms because current goes to zero, converting magnetic to electrical energy. When voltage waves destructively interfere, the superposition has no electrical energy because it transforms to magnetic energy. Although the impedance of the individual waves is that of free space, a superposition of waves may exhibit arbitrary impedance. Further, interferences of identical waveforms allow no energy transfer between opposite ends of a transmission line. The waves appear to recoil elastically one from another. Although alternate interpretations are possible, these appear less likely. Similar phenomenology arises in waves of arbitrary shape and those propagating in free space as well. We may also interpret this behavior as each wave reflecting from the impedance variations the superposition imparts on free space. This work has practical implications to quantum mechanics, field diversity antenna systems, and near-field electromagnetic ranging.

研究动机与目标

• 分析理想化传输线中电磁波叠加过程中的能量转换与阻抗行为。
• 研究波干涉的物理解释，特别是当波在碰撞时似乎发生弹性回弹的现象。
• 探讨叠加对自由空间及结构化介质中能量传输与波传播的影响。
• 将观测到的物理现象与量子力学及近场电磁测距的潜在应用相联系。

提出的方法

• 在理想自由空间传输线上建模短时电压与电流脉冲波，以模拟电磁波行为。
• 应用叠加原理分析相同波形的相长与相消干涉。
• 计算干涉过程中电场与磁场之间的能量分配，展示能量形式之间的转换。
• 通过阻抗分析表明，尽管单个波具有自由空间阻抗，叠加波系统仍可表现出任意阻抗。
• 将波的行为解释为每个波似乎从叠加在周围空间中产生的阻抗变化处发生反射。
• 将结果推广至任意波形及自由空间传播，以概括该现象的普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电磁波的相长与相消干涉过程中，能量如何在电场与磁场之间重新分布？
• RQ2 为何叠加波似乎在无物理介质的情况下发生弹性回弹？
• RQ3 能否通过具有自由空间阻抗的波叠加，形成具有任意有效阻抗的系统？
• RQ4 导致干涉电磁波表现出明显弹性回弹的物理机制是什么？
• RQ5 这些波相互作用与量子力学现象及近场电磁测距之间有何关联？

主要发现

• 相同电压波的相长干涉产生叠加态，其电能为原来的两倍，因电流降为零，磁能完全转化为电能。
• 相消干涉导致叠加态的电能为零，所有能量均转化为磁能。
• 叠加波系统表现出可任意设定的有效阻抗，尽管单个波具有自由空间阻抗。
• 在传输线两端对称的相同波形干涉过程中，无净能量转移，表明其表现出弹性回弹行为。
• 观测到的波行为可解释为每个波似乎从叠加在周围空间中产生的阻抗变化处发生反射。
• 该现象可推广至任意波形及自由空间传播，表明电磁叠加具有普遍特性。