Fresnel, brewster en andere "onzichtbare" effecten

Op 23 oktober 2009 17:49:16 schreef fred101:
... Het zogenaamde FET effect

Stelling:
Het zogenaamde FET effect is een gevolg van de zogenaamde FRED vragen.

Ah, dat is toch de tweede causaliteitstheorie van rbeckers

Nou, voorzetje dan maar. 't Zijn wel twee heel verschillende beesten, hoor.

Brewsterhoek (in de radio: pseudo-Brewsterhoek).
Als een (radio- of licht-)golf overgaat van het ene materiaal in het andere, dan kan hij te maken krijgen met een andere soortelijke geleiding, en/of een andere permeabiliteit en/of permittiviteit. Eén gedeelte van de golf vervolgt zijn weg in het nieuwe medium, een ander gedeelte wordt teruggekaatst.
En ja, de formules daarvoor doen erg denken aan die voor impedanties, en rho in kabels..

De beruchte zilveren plaat geeft reflectie doordat hij zo goed geleidend is. Maar meestal heb je reflectie doordat de permittiviteit zo anders is; de diëlectrische constante dus. En de permeabiliteit speelt meestal geen rol omdat die gelijk blijft.

Nu hangt het, behalve van die epsilon, ook af van de hoek van inval, hoe goed er gereflecteerd wordt. Als je die laat variëren van loodrechte inval tot "scherende" inval, dan zie je een variatie waarin ook een minimum zit. Dat minimum vind je op de Brewsterhoek.

Het gekke is, dat de fase van de reflectie óók van de hoek afhangt. Boven de Brewsterhoek wordt een verticaal gepolariseerde golf in fase teruggekaast. Bij een zilveren plaat is de Brewsterhoek ongeveer nul graden, en zo komen we aan die diagrammetjes waarin een verticale antenne zijn maximum richting horizon heeft.
Beneden de Brewsterhoek zijn bij verticale polarisatie, directe en gereflecteerde golf in tegenfase met elkaar. In werkelijkheid heeft een verticale antenne dus een minimum naar de horizon, want de Brewsterhoek boven echte aarde is niet nul. Afhankelijk van de soort grond is hij enkele graden tot enkele tientallen graden.
Hier kun je dus echt niets aan doen: het ligt niet aan de antenne, maar aan de grond, je zou dus de grond moeten 'verbeteren'. Op zee is de Brewsterhoek zo laag dat je er geen last van hebt: zelfs op de hogere HF frequenties is de beste opstraalhoek daar hóger dan de Brewsterhoek.
Voor horizontale polarisatie heb je van de Brewsterhoek geen last, of liever: daar is de gereflecteerde golf altijd in tegenfase.

Grappige bijkomstigheid: als je een juist gepolariseerde lichtstraal onder de Brewsterhoek op een glasplaatje laat vallen, is er óók geen reflectie, en dus geen verliezen daardoor. Google: brewstervenster.

Mmana en dergelijke programma's modelleren de Brewsterhoek correct. Je merkt dat aan het verticale patroon van bv. een Marconi antenne die op de grond staat. Je moet dan wel "real ground" kiezen.

Fresnelzone
Dat is zeg maar de 'ruimte' die een golf nodig heeft om van A naar B te komen. Hij heeft meer ruimte nodig dan alleen de lijn tussen A en B! Ook bij reflecties. Zodoende is er geen reflectiepunt, maar een reflectiegebied. Hierover later meer..

De funkamateur is van Januari 2009 maar toen snapte ik er nog niet zoveel van. Wat ik aanzag voor Fresnel blijkt dus Brewster te zijn. Verkeerd begrepen omdat het ook over Frensne ging) Ik zat jou uitleg te lezen en ik kreeg zo'n soort deja-vu gevoel bij Brewster. Toen even gegoogled naar het artikel. Deze FA is gewoon te downloaden. (google fresnel en Funkamateur en het was de eerste link, het lukt mij helaas niet hem te linken want als ik er op klik om te copieren begint hij direct de pdf binnen te halen.

Nu moet ik zeggen dat ik me niets bij een beruchte zilveren plaat kan voorstellen. Daar heb ik blijkbaar even iets gemist.

Maar dit is genoeg stof om eens even eerst wat uit te zoeken. Zoals epsilon en brewstervenster

De Fresnelzone is een denkbeeldige ellipsoide met in de brandpunten de zend en ontvangstantenne. Binnen die zone mogen zich geen obstakels bevinden.

De fresnelzone bij radiocommunicatie kun je als volgt bepalen:

Je bepaalt de LOS dat is gewoon de rechte lijn tussen zender en ontvanger.
Denk rond die as een ellipsoide. Een soort zeppelin.
Dat is de eerste fresnelzone.
Binnen die eerste zone, zullen reflecterende voorwerpen interferentie veroorzaken. Afhankelijk van de plaats zullen ze het signaal versterken of verzwakken.
Het is dus heel belangijk dat zich binnen die zone geen obstakels bevinden.

Om te weten op elk willekeurig punt tussen zender en ontvanger, hoever je van de LOS moet afblijven kun je een simpele formule toepassen.

maak het product van de afstand tussen de zender en het obstakel en de afstand tussen de ontvanger en het obstakel. vermenigvuldig dit met de golflengte.
Deel dat door de som van die twee afstanden. Trek uit dat getal de vierkantswortel, en je hebt de straal van de fresnelzone op die plaats.

Heel aardige bijdrage GD

bron : funkamateur

Dit is de brewster-angle dan denk ik.

Brewster heeft dus met antenne ontwerp te maken en Fresnel meer met de opstelling van de antenne. Fresnel is dus vooral een factor om rekening mee te houden maar niet beinvloedbaar (je hebt niet altijd vrije antenne lokatie keus).
Maar Brewster is iets wat deel van het ontwerp zou moeten zijn lijkt me.

[Bericht gewijzigd door fred101 op vrijdag 23 oktober 2009 20:35:55 (68%)]

Nee. De Brewsterhoek bestaat ook zonder antenne, en je kunt er ook niets aan veranderen. Dit plaatje houdt er niet eens rekening mee!

Omdat Fred101 mijn bijdrage aardig vond zal ik als toetje proberen het begrip Brewsterhoek eenvoudig uit te leggen.

Het is een begrip uit de optica, maar in principe is er weinig verschil met radiogolven.
Zoals je weet bestaat licht uit pakketjes EMgolven. Een beetje zoals regen uit pakketjes water bestaat.

Als dat licht onder een hoek een voorwerp raakt met een grotere brekingsindex buigt het licht weg van de as loodrecht op het voorwerp. Breking noemt men dat. Afhankelijk van de brekingsindex
(zeg maar de dichtheid van het materiaal), de golflengte en de hoek , zal bij een bepaalde instraalhoek het licht niet langer breken maar terugkaatsen.

In werkelijkheid wordt het foton opgenomen door de moleculen van het materiaal en terug afgegeven. de microscopische elementaire elektrische dipolen die daarvoor verantwoordelijk zijn kunnen net als echte halvegolfdipolen hun energie niet in alle richtingen uitstralen.

Bij een bepaalde instraalhoek kan dat alleen maar in één bepaald polarisatievlak, nl evenwijdig met het oppervlak.

Bij die hoek maakr het dus niet uit welke willekeurige polarisatierichting de aankomende fotonen hebben, de teruggekaatste hebben een polarisativlak dat altijd evenwijdig is aan het oppervlak.
De hoek waaronder dit verschijnsel optreedt noemt men de Brewsterhoek. Brewster heeft als eerste dit verschijnsel correct beschreven.

Wat gebeurt met een lichtstraal op een spiegel, gebeurt ook op grotere schaal met radiogolven die tegen de ionosfeer weerkaatsen.

Brewster-angle is de hoek die een lichtstraal (radiogolf) maakt wanneer hij van het ene naar het andere medium gaat. Dus als licht een bak water binnen gaat, dan wordt het licht afgebogen, en gaat het dus niet meer rechtdoor.

Dit was toch ook verantwoordelijk voor de afbuiging van radio-golven, zodat ze netjes rond de aarde gaan?

Fresnel wordt aan veel meer dingen vastgeplakt dan alleen de Fresnel zone. Volgens mij is dat plaatje van jou een typisch geval van een (Fresnel)-interferentiepatroon.
Maar goed, die precieze terminologie is nooit mijn sterkste punt geweest.
Het gaat meestal over optica-als je het over dergelijke interferentie hebt. Maar het is net zo goed op radiogolven toe te passen, behalve dat dan de schaal natuurlijk veel groter is.

Neenee, dat is niet correct. De Brewsterhoek is niet de brekings of terugkaatsingshoek, maar de hoek waarbij het uitgaande licht gepolariseerd wordt parallel aan het vlak , ongeacht de polarisatie van het invallende licht.
Bij die hoek, en enkel deze, maken het lichtgedeelte dat gebroken wordt en door het materiaal gaat, en het teruggekaatste licht, een hoek van precies 90*.

Daarom spreekt men bij die bregrippen niet van horizontale en vertikale polarisatie, maat van P en S polarisatie.
P van parallel, en S van senkrecht wat Duits is voor loodrecht.
Het is mij altijd en raadsel geweest waarom Duitse terminologie gebruikt wortdt in deze materie, maar het is zo.

[Bericht gewijzigd door Anoniem op vrijdag 23 oktober 2009 22:51:44 (50%)]

Op 23 oktober 2009 22:39:21 schreef grotedikken:
De Brewsterhoek is ... de hoek waarbij het uitgaande licht gepolariseerd wordt parallel aan het vlak , ongeacht de polarisatie van het invallende licht.

Dat is niet zo. Als licht, gepolariseerd loodrecht op het vlak, invalt onder de Brewesterhoek, dan zal zijn polarisatie niet veranderen in evenwijdig aan het vlak.
In plaats daarvan zal het licht minimaal gereflecteerd worden!

Beter had je kunnen zeggen: De brewsterhoek is die hoek, waaronder licht dat gepolariseerd is loodrecht op het vlak, minimaal gereflecteerd wordt.
Voor radiogolven dus: waarbij vertikaal gepolariseerde golven minimaal gereflecteerd worden, zoals al genoemd.

Overigens: alleen bij "schone" reflectors zoals glas en andere isolatoren heb je onder de Brewsterhoek geen helemaal geen reflectie van golven die loodrecht op het vlak gepolariseerd zijn.
Bij reflectors die wèl geleiden, is er wel reflectie, al is die onder die hoek wel minimaal. De gereflecteerde golf is dan 90 graden uit fase met de invallende.

En ter herinnering: voor horizontale polarisatie (correcter: polarisatie evenwijdig aan het reflecterende vlak) is de gereflecteerde golf er altijd, en is altijd praktisch compleet uit fase.

Als golven van allerlei polarisatierichtingen invallen, blijven in zo'n geval alleen dié componenten over, die evenwijdig aan het vlak (voor radio: "horzontaal") gepolariseerd zijn. Zijn zulke componenten er niet, dan houd je dus niets over in de reflectie.
Vandaar dat zonnebrillen met polariserende glazen de schittering in water en andere horizontale oppervlakken zo goed wegnemen: ze laten alleen verticale polarisatie door - en die zit daar nauwelijks meer in.

@Fred, als we het bij verhalen over 'aarde' over de reflectie hebben, dan bedoelen we met de "zilveren plaat": alsof de aarde een zilveren plaat zou zijn. Dan zou de Brewsterhoek, door de enorm hoge geleiding, praktisch nul graden zijn (of, in de optica: praktisch 90 graden van de normaal op het vlak ). Een verticale antenne zou dan dus een maximum richting horizon hebben, doordat de grondreflectie in die richting nog versterkend werkt. Vandaar die plaatjes in de boeken.
Maar boven echte aarde gaat dat niet op, en is de reflectie onder zulke lage hoeken juist destructief: richting horizon straalt de antenne dus zowat niets uit. In de praktijk zeggen we: de straling begint pas op en boven de Brewsterhoek mee te tellen.

Veel fabrikanten van verticale rondstralers specificeren hun antennes veel te rooskleurig, ook met betrekking tot het rendement. We zeggen dan van zulke getallen: ja ja, boven een oneindige zilveren plaat misschien.

OK de zilveren plaat snap ik maar de rest ? Bij het Brewster verhaal dact ik wat voor te kunnen stellen zoals dat plaatje. Daar hebben ze het over constructieve en destructieve interferentie en ik dacht dat het snijpunt (C) de brewster hoek was. Daaronder in tegenfase, daarboven in fase. Maar blijbaar heeft dat er niets mee te maken dus ik ben bang dat dit nog even boven mijn pet gaat. Maar hierdoor heb ik indirect weer wat leuke ontdekkingen gedaan
Wat niet wil zeggen dat ik dit niet wil weten. Een mooi plaatje ter verduidelijking misschien

De Frensnel discussie bekijk ik even vanaf de zijlijn mee tot de zwaargewichten er onderling uit zijn. Dat kan nog interessant worden

Er is een golf; er is een reflectievlak.
De mate van reflectie hangt af van de hoek en van de polarisatie

Nu komt het moeilijke stuk:
Er is een hoek waaronder verticaal gepolariseerde golven bijna niet weerkaatst worden.
En maak je de hoek nòg lager (scherender), dan is de weerkaatste golf in tegenfase met de invallende.

En ter herinnering:
Voor horizontaal gepolariseerde golven is er niet zo'n minimum, maar ze worden altijd in tegenfase weerkaatst.

Bij gewone aarde is het minimum niet nul, maar wel, eh, minimaal.

Voor zover ik mijn natuurkunde goed herinner en mijn kennis van fotografie gebruik, kan ik de Brewster-hoek definieren als: "De invalshoek waarbij volledige polarisatie optreedt" Voor glas is dat c.a. 56°.

In de fotografie maakt men hiervan gebruik om reflelcties weg te werken:
Fotografeer bijvoorbeeld een etalage onder een hoek van 56° met een polarisatiefilterop de lens. Draai dan aan het polarisatiefilter totdat alle reflecties minimaal zijn. Ook voor spiegelend water gaat dit op (hoek is iets anders).
Helemaal wegdraaien geeft echter een onnatuurlijk "mat" effect.

Ik wist overigens niet dat dit ook voor EM-golven opging, maar gezien het EM-golfkarakter van fotonen, is de parallel logisch.

Wikipaedia-EN en NL geeft een goede uitleg

Voor glas mogen we de geleiding op nul zetten. Epsilon rekenen we gemakshalve op 2.25 (brekingsindex n=1.5).
Voor de brewsterhoek kom je dan inderdaad op 56 graden.
Maar dat is 34 graden gerekend vanaf het reflectievlak.
Het is misschien goed, hier dus meteen even op de verschillende benamingen te wijzen.

In de optica noemt men de hoek met de normaal (de 'normaal' is de richting loodrecht uit het vlak. Voor een horizontaal vlak dus recht omhoog).
In de radiotechniek komt die hoek overeen met de zenithoek. Maar heel vaak noemen we hier de opstraalhoek of invalshoek, van het reflectievlak af gerekend.
Wat de radioman 8 graden noemt (boven de horizontaal), is in de optica dus 82 graden (vanuit loodrecht). Logisch, maar oppassen.

In de optica wordt de polarisatie vergeleken met het vlak waarin de in- en uittredende straal vallen. Dat vlak staat loodrecht op het reflectievlak, de 'normaal' ligt er ook in.
Wat in de radiotechniek horizontale polarisatie heet, is in de optica een polarisatie loodrecht op het vlak van in- en uitval.
Loodrecht heet in het Engels ook wel Square to the plane, een handig ezelsbruggetje voor de s in de afkorting Ps die deze soort polarisatie aangeeft.

En waar wij radiomensen het over verticale polarisatie hebben, is dat voor de opticus een polarisatie in het vlak van in- en uitval (dat vlak staat immers verticaal, bij een horizontaal reflectievlak).
Deze polarisatie is dus Pp, met de p van Parallel to the plane.

Het is natuurlijk waar, dat als een "verticaal" gepolariseerde golf onder een hoek van 15 graden met de horizontaal invalt, dat je die polarisatie eigenlijk niet meer echt verticaal kunt noemen. Hij helt immers 15 graden voorover!
Maar hij zit nog wèl in het vlak van in- en uitval.

Ook is het zo dat reflectievlakken niet altijd horizontaal zijn. Als je naar de effecten van de aarde op de LF, MF, HF golven kijkt wel natuurlijk, maar sinds we ook in de UHF en SHF werken, hebben we vaak te maken met andere reflectors - gebouwen bijvoorbeeld.

De optische termen blijven in zulke gevallen correct. Toch zal ik het vrolijk over verticaal en horizontaal blijven hebben, en de hoek vanaf horizontaal nemen, omdat ik nu eenmaal een HF man ben.

Nu heb ik het al die tijd over "polarisatie" gehad, zonder aan te geven wat dat is. In de radio nemen we hiervoor de richting van de elektrische component van het veld. De E-vector dus.
Uit beschrijvingen in de boekjes van polarisatie van licht en van de Brewsterhoek blijkt dat ook daar de E-vector wordt bedoeld. Maar dat zeggen ze er nergens bij! Slordig, want.. de H-vector staat daar loodrecht op.