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8/29/2019 1 Electromagnetics: Electromagnetic Field Theory Electromagnetic Waves Lecture Outline Maxwell’s Equations Predict Waves Derivation of the Wave Equation Solution to the Wave Equation Slide 2 1 2

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1

Electromagnetics:

Electromagnetic Field Theory

Electromagnetic Waves

Lecture Outline

•Maxwell’s Equations Predict Waves

•Derivation of the Wave Equation

• Solution to the Wave Equation

Slide 2

1

2

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2

Slide 3

Maxwell’s Equations Predict Waves

Recall Maxwell’s Equations in Source Free Media

Slide 4

Curl Equations

E j B

H j D

Divergence Equations

0

0

D

B

Constitutive Relations

D E

B H

In source‐free media, we have 𝐽 0 and 𝜌 0.Maxwell’s equations in the frequency‐domain become 

3

4

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3

The Curl Equations Predict Waves

Slide 5

E j H

After substituting the constitutive relations into the curl equations, we get

H j E

A time‐harmonic magnetic field will induce a time‐harmonic electric field circulating about the magnetic field.

A time‐harmonic circulating electric field will induce a time‐harmonic magnetic field along the axis of circulation.

A time‐harmonic electric field will induce a time‐harmonic magnetic field circulating about the electric field.

A time‐harmonic circulating magnetic field will induce a time‐harmonic electric field along the axis of circulation.

An H induces an E.  That E induces another H.  That new Hinduces another E.  That E induces yet another H.  And so on.

How Waves Propagate

Slide 6

Start with an oscillating electric field.

5

6

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4

How Waves Propagate

Slide 7

This induces a circulating magnetic 

field.

H j E

How Waves Propagate

Slide 8

Now let’s examine the magnetic field on axis.

7

8

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5

How Waves Propagate

Slide 9

This induces a circulating electric field. E j H

How Waves Propagate

Slide 10

Now let’s examine the electric field on axis.

9

10

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6

How Waves Propagate

Slide 11

This induces a circulating magnetic field.

H j E

How Waves Propagate

Slide 12

…and so on…

11

12

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Slide 13

Derivation of the Wave Equation

Wave Equation in Linear Media (1 of 2)

Slide 14

E j H

Since the curl equations predict propagation, it makes sense that we derive the wave equation by combining the curl equations.

H j E

Solve for H

11H E

j

11E j E

j

13

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Wave Equation in Linear Media (2 of 2)

Slide 15

The last equation is simplified to arrive at our final equation for waves in linear media.

1 2E E

This equation is not very useful for performing derivations.  It is typically used in numerical computations.

Note: We cannot simplify this further because the permeability is a function of position and cannot be brought outside of the curl operation.

21E E

Wave Equation in LHI Media (1 of 2)

Slide 16

In linear, homogeneous, and isotropic media two important simplifications can be made.

First, in isotropic media the permeability and permittivity reduce to scalar quantities.

1 2E E

Second, in homogeneous media  is a constant and can be brought to the outside of the curl operation and then brought to the right‐hand side of the equation.

2E E

15

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2 2E E E

Wave Equation in LHI Media (2 of 2)

Slide 17

Now apply the vector identity                                                 2A A A

In LHI media, the divergence equation can be written in terms of E.

0E

2 2 0E E

2E E

2 2E E E

0D

0E

0E

Wave Number k and Propagation Constant 

Slide 18

We can define the term               as either 

2 2k

This provides a way to write the wave equation more simply as

2 2 0E k E

2 2 2k or

2 2 0E E

or

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Slide 19

Solution to the Wave Equation

Components Decouple in LHI Media

We can expand our wave equation in Cartesian coordinates.

2 2 2 2 2 2ˆ ˆ ˆ 0x x x y y y z z zE k E a E k E a E k E a

We see that the different field components have decoupled from each other.

All three equations have the same numerical form, so they all have the same solution.

Therefore, we only need the solution to one of them.2 2 0E k E

2 2

2 2

2 2

0

0

0

x x

y y

z z

E k E

E k E

E k E

2 2 0E k E

2 2ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 0x x y y z z x x y y z zE a E a E a k E a E a E a 2 2 2 2 2 2ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 0x x y y z z x x y y z zE a E a E a k E a k E a k E a

19

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General Solution to Scalar Wave Equation

Slide 21

The final wave equation for LHI media is

2 2 0E k E

This could be handed off to a mathematician to obtain the following general solution.

0 0jk r jk rE r E e E e

forwardwave

backwardwave

General Solution to Vector Wave Equation

Slide 22

Given the solution to the scalar wave equation, the solutions for all three field components can be immediately written.

jk r jk rx x x

jk r jk ry y y

jk r jk rz z z

E r E e E e

E r E e E e

E r E e E e

These three equations are assembled into a single vector equation.

0 0

ˆ ˆ ˆx x y y z z

jk r jk r

E r E r a E r a E r a

E e E e

forward wave backward wave

21

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General Expression for a Plane Wave

Slide 23

The solution to the wave equation gave two plane waves.  From the forward wave, the general expression for plane waves can be extracted.

, cos

jk rE r Pe

E r t P t k r

Frequency‐domain

Time‐domain

The various parameters are defined as

ˆ ˆ ˆ position

total electric field intensity

polarization vector

x y zr xa ya za

E

P

wave vector

2 angular frequency

time

k

f

t

Magnetic Field Component

Slide 24

Given that the electric field component of a plane wave is written as

jk rE r Pe

The magnetic field component is derived by substituting this solution into Faraday’s law.

jk rPe j H

1

jk rH k P e

E j H

23

24

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Solution in Terms of the Propagation Constant 

Slide 25

The wave equation and it solution in terms of  is2 2 0 E E 0 0

r rE r E e E e

forward wave backward wave

rE r Pe

Frequency‐domain

The general expression for a plane wave is

The magnetic field component is

1 rH P ej

jk

The wave vector and propagation constant are related through

Visualization of an EM Wave (1 of 2)

Slide 26

People tend to draw and think of electromagnetic waves this way…

25

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Visualization of an EM Wave (2 of 2)

Slide 27

However, this is a more realistic visualization.  It is important to remember that plane waves are also of infinite extent in all directions.

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