Metod_posobie_po_SR_EPiV

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ВОЛНЫ

Учебно-методическое пособие по самостоятельной работе для студентов

Электронное издание

Красноярск

СФУ

2012

УДК 621.372.8 ББК 32.86-01

Э455

Составители: А.С. Волошин, В.С. Панько

Э455 Электромагнитные поля и волны: учебно-методическое пособие по самостоятельной работе для студентов специальности 210406.65 «Сети связи и системы коммутации» и направления 210400.62 «Телекоммуникации» [Электронный ресурс] /сост. А.С. Волошин, В.С. Панько. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – 1 диск. – Систем. требования: Pentium 200 МГц и выше, 256 Мб оперативной памяти, 50 Мб свободного места на жестком диске, Windows 98 и выше. – Загл. с экрана – Электромагнитные поля и волны. Учебно-методическое пособие по самостоятельной работе для студентов.

Приведены указания по выполнению домашней работы и подготовке рефератов и отчетов по лабораторным работам дисциплины «Электромагнитные поля и волны».

Предназначено для студентов специальности 210406.65 «Сети связи и системы коммутации» и направления 210400.62 «Телекоммуникации».

УДК 621.372.8 ББК 32.86-01 © Сибирский федеральный

университет, 2012

2

Общие сведения

Самостоятельная работа (СР) – это один из видов реализации образова-

тельного процесса, предусмотренный основной образовательной программой

(ООП) направления подготовки или специальности высшего профессионального образования (ВПО). В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС ВПО) основной образовательной программой регламентируются цели, ожидаемые результаты, содержание и реализация образовательного процесса по данному направлению подготовки или специальности ВПО, в том числе и в части, относящейся к самостоятельной работе. Под самостоятельной работой по дисциплине понимается внеаудиторная работа по

ееосвоению, дополняющая обязательные, аудиторные занятия.

Косновным видам СР по дисциплине «Электромагнитные поля и волны» (ЭП и В) относятся:

∙изучение теоретического курса (ТО);

∙выполнение домашней работы (решение задач и подготовка рефе-

ратов и отчетов по лабораторным работам).

Содержание СР по конкретной дисциплине и ее трудоемкости регламентируются учебным планом направления подготовки и учебной программой дисциплины. Мерой трудоемкости образовательной программы является зачетная единица (з.е.). Одна зачетная единица равна 36 часам. Объем СР по дисциплине «Электромагнитные поля и волны» в соответствии с учебной программой составляет 53 % от общего объема дисциплины и равна 5,1 (81) зачетных единиц (часов).

От того, как успешно используется выделяемое на СР время, в значительной степени зависит качество подготовки специалистов. Оказать помощь в эффективной реализации СР по дисциплине и призваны адресуемые студентам методические указания. В данном учебно-методическом пособии даются:

∙сведения о структуре СР по дисциплине;

∙методика реализации самостоятельной работы по изучению теоретического курса;

∙библиографический список.

Курс «Электромагнитные поля и волны» является специальной дисциплиной, которая включена в программу подготовки радиоинженеров по специальности «Сети связи и системы коммутации» и направлению «Телекоммуникации».

Цель курса – дать знания, необходимые инженеру в его практической деятельности для решения специальных технических задач.

Курс «Электромагнитные поля и волны» строится на базе знаний, полученных в изучаемых ранее курсах «Физика» и «Высшая математика».

Наиболее важными разделами курса «Физика», усвоение которых необходимо студентам для изучения дисциплины ЭП и В, являются «Электричество

3

и магнетизм» и «Колебания и волны» – закон Кулона, закон Ампера, закон Ома, электромагнитная индукция (закон Фарадея), гармонические колебания, волновое уравнение, фазовая и групповая скорости, энергия электромагнитных волн.

Из курса «Высшей математики» необходимо хорошо представлять и уметь использовать при анализе электромагнитных процессов дифференциальное и интегральное исчисления, комплексные числа и операции над ними, решение дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Курс «Электромагнитные поля и волны» является специальным наряду с такими ранее изученными студентами спецкурсами учебного плана, как «Радиотехнические цепи и сигналы», «Электроника» и является опорным для спецкурсов «Устройства сверхвысоких частот (СВЧ) и антенны», «Устройства формирования сигналов», «Устройства приема сигналов» и др.

Основной задачей курса «Электромагнитные поля и волны» является обучение студентов современным методам анализа электромагнитных процессов, происходящих в различных средах, а также даются знания о распространении радиоволн в атмосфере Земли.

Наибольшее внимание в курсе «Электромагнитные поля и волны» уделяется рассмотрению основных законов электродинамики, изучению распространения электромагнитных волн в волноведущих структурах и вопросам излучения элементарных антенн.

В ходе изучения курса студенты должны чётко представлять физическую сущность электромагнитных процессов, происходящих в различных средах с известными электродинамическими параметрами, а также овладеть приёмами расчёта электромагнитных полей, создаваемых элементарными излучателями.

1. Структура самостоятельной работы

Учебная программа дисциплины предусматривает теоретическое обучение и лабораторный практикум (выполнение лабораторных работ). Теоретическое обучение осуществляется в форме лекционных аудиторных занятий и внеаудиторной, самостоятельной работы. На самостоятельное изучение выносятся вопросы теоретического курса, предусмотренные учебной программой, но не рассматриваемые на лекционных занятиях, в частности из-за ограниченного их времени. Выбор материала для самостоятельного изучения осуществляется из условия сохранения причинно-следственных связей и целостности теоретического курса.

Самостоятельная работа студента включает в себя также теоретическую подготовку к лабораторным занятиям, математическую обработку и теоретическое обоснование результатов лабораторных исследований, их оформление и защиту. Также к самостоятельной работе относится также изучение всего тео-

4

ретического материала для сдачи экзамена по курсу «Электромагнитные поля и волны».

2. Методика реализации самостоятельной работы по изучению теоретического курса

Ниже приводятся названия модулей и тем теоретического курса и перечень вопросов, выносимых на самостоятельное изучение. По каждому из вопросов указывается рекомендуемая литература для его самостоятельного изучения в соответствии с библиографическим списком, данным в конце учебнометодического пособия.

Модуль 1. «Электродинамика».

Тема 1. Вводная информация, основные понятия, история [1, 2].

Тема 2. Используемые понятия и законы векторного анализа [2, с. 464 –

466].

Тема 3. Заряды и токи. Векторы электромагнитного поля [1-6]. Тема 4. Основные законы электромагнетизма. Параметры сред [1-6].

Тема 5. Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной фор-

ме [1-6].

Тема 6. Обсуждение уравнение Максвелла и следствий из них. Сторонние силы [1-4].

Тема 7. Метод комплексных амплитуд, его применение к уравнениям Максвелла [1-4].

Тема 8. Волновой характер электромагнитного поля [1-4].

Тема 9. Плоская электромагнитная волна с линейной поляризацией [1-4]. Тема 10. Дисперсия, групповая скорость [2-4].

Тема 11. Поляризация электромагнитных волн [2-4].

Тема 12. Падение плоских электромагнитных волн на границу раздела двух сред [2-4].

Тема 13. Направляющие системы и направляемые волны [1-4]. Тема 14. Прямоугольный металлический волновод [1-4].

Тема 15. Элементарные электрический и магнитный излучатели [1-6].

Модуль 2. «Распространение радиоволн».

Тема 16. Диапазоны длин волн, механизмы распространения радиоволн

[7-9].

Тема 17. Распространение радиоволн в свободном пространстве [7-9].

5

Тема 18. Распространение земных радиоволн [7-9].

Тема 19. Ионосфера. Влияние ионосферы на распространение радиоволн

[7-9].

Тема 20. Тропосфера. Влияние тропосферы на распространение радио-

волн [7-9].

Тема 21. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

[7-9].

Для получения допуска к экзамену по дисциплине студент должен представить преподавателю, ведущему занятия по дисциплине, в часы учебных занятий или во время консультаций решенные в рабочей тетради домашние или дополнительные задачи, которые выдаются студентам, пропустившим практические занятия. По каждой из пропущенных тем выдается одна задача. Студенты, не решившие задачи по темам семинаров, на которых они отсутствовали, к экзамену не допускаются.

3. Методика реализации самостоятельной работы по выполнению домашней работы

Учебная программа дисциплины предусматривает выполнение домашней работы, которое заключается в решении задач согласно разделам курса, а также в оформлении рефератов, необходимых для получения допуска к выполнению лабораторных работ, и отчетов.

Методические указания по решению задач

Учебная программа предусматривает решение задач по следующим темам курса:

1.Дифференциальные операции над скалярными и векторными полями в декартовой системе координат.

2.Дифференциальные операции над скалярными и векторными полями в сферической и цилиндрической системах координат.

3.Графическое изображение и построение скалярных и векторных по-

лей.

4.Уравнения Максвелла.

5.Уравнения Максвелла для комплексных амплитуд.

Практически все задачи взяты из задачника [10]. Задачи, выдаваемые студентам, пропустившим занятия по представленным выше темам, могут быть сформулированы и преподавателем на его усмотрение.

6

Все задачи следует решать в рабочей тетради. При оформлении решения задач следует писать условие задачи, решение со всеми необходимыми комментариями, графиками и рисунками, а также ответ.

Методические указания по оформлению рефератов и отчетов

Оформление рефератов для получения допуска к выполнению лабораторных работ следует делать на двойных листах в клеточку от руки. Первая страница является титульной и ее оформление аналогично титульной странице отчета, об оформлении которого будет сказано дальше. Реферат оформляется каждым студентом лично, в связи с этим на титульной странице указывается только одна фамилия студента. Вторую страницу реферата, т.е. обратную сторону титульного листа, следует оставить пустой, а тело реферата следует начать с третьей страницы, с написания цели работы. Далее в реферате следует написать все основные определения, формулы с указанием входящих в них величин и все необходимые графики и рисунки.

В конце реферата следует оставить 2-3 пустых страницы для вопросов и графических задач, которые преподаватель может спросить во время получения допуска.

При оформлении реферата следует использовать в основном лабораторный практикум [11], а также всю соответствующую выполняемой лабораторной работе информацию из библиографического списка, представленного в конце настоящего пособия.

Отчет по лабораторной работе выполняется один на всю команду. Оформление отчета следует делать в текстовом редакторе «Word» – известном программном продукте компании «Microsoft».

Размер шрифта следует выбирать 14 pt с одинарным интервалом между строками. Гарнитура шрифта во всей работе должна быть «Times New Roman». Положение текста на странице – по ширине с отступом в каждом абзаце 1,25 см. Поля страниц должны быть взяты: левое – 30 мм; правое – 15 мм; верхнее и нижнее – по 20 мм. Обязательно следует делать нумерацию страниц внизу справа, при этом номер на 1-ой (титульной странице) не ставится.

При наборе следует установить автоматический перенос (на панели инструментов выбрать меню: «Сервис» / «Язык» / «Расстановка переносов» / «Автоматическая расстановка переносов»). Также во избежание ошибок при написании текста настоятельно рекомендуется выбрать русский язык и поставить его в режим проверки вновь набранного текста (на панели инструментов выбрать меню: «Сервис» / «Язык» / «Выбрать язык…» и далее в верхнем окошке появившегося меню установить русский язык, а внизу – отжать галочку «Не проверять правописание»). Орфографические ошибки, если вы вдруг их допустите при наборе текста, будут подчеркнуты красной волной (пример: электрамагнитная волна), а смысловые и пунктуационные (несогласованные, а также

7

слишком длинные предложения, отсутствие знаков препинания и пробелов и т.п.) – зеленой.

Текст следует набирать с соблюдением следующих правил:

∙абзацы отделяются друг от друга одним маркером в конце абзаца;

∙все слова внутри абзаца разделяются только одним пробелом;

∙перед знаком препинания пробелы не ставят, после знака препинания – один пробел;

∙при наборе следует различать тире (–) (Ctrl + «-» на дополнительной клавиатуре) и дефисы (-);

∙после инициалов (перед фамилией), перед сокращениями и между ними ставится неразрывный пробел (примеры: 2012 год, т. д., т. п., т. е., и т. п., А.С. Волошин);

Вработе допускаются выделения важных терминов, а также полученных результатов, жирным шрифтом.

Оформление работы начинается с титульного листа. Пример оформления титульного листа приведен в приложении 1 настоящего пособия, где дополнительно следует правильно указать название группы (РФ 09-12 Б, РФ 07-06 и т.д), команды (α, β, γ, δ, ε и т. д.) и, самое главное, фамилии всех выполняющих работу студентов и, конечно же, преподавателя.

Вработе обязательно должны присутствовать следующие заголовки:

∙Цель работы;

∙Ход работы;

∙Результаты работы;

∙Выводы.

Все заголовки следует набирать жирным шрифтом и за исключением первого раздела (цели работы) располагать по центру страницы. Заголовок «Цель работы» следует располагать сначала абзаца и после двоеточия расшифровать цель работы без выделения жирным шрифтом.

Пример оформления:

Цель работы: изучить …

В разделе «Ход работы» обязательно выделение пунктов работы с нумерацией их и соответствующим названием согласно плану работы, выдаваемого преподавателем. Название пункта без выделения жирным шрифтом. В случае, если это необходимо, разрешается включение подпунктов со сквозной нумерацией и с названием.

8

Пример оформления:

Ход работы

1. Измерение длины волны в измерительной линии.

Далее следует писать комментарии с красной строки… – « тело» пункта.

Выделение количества пунктов в разделе «Ход работы», а также их названия – процесс творческий и остается исключительно на усмотрение коллектива команды студентов, выполняющих лабораторную работу.

В каждом из пунктов раздела «Ход работы» желательны комментарии с указанием времени глагола в настоящем времени от первого лица во множест-

венном лице (пример: рассчитываем, делаем, измеряем). Использование ме-

стоимений «я» и «мы» в отчете недопустимо!

Ссылки на рисунки и таблицы, соответственно, следует указывать в совершенной форме глагола (пример: графики представлены на рис. 1, данные проведенных измерений приведены в табл. 1 и т. п.).

Графики и таблицы к каждому из пунктов рассматриваемого раздела следует указывать здесь же, не вынося их в приложения. Ссылку на графики следует делать с сокращениями «рис. 1», «рис. 2 а, б», а на таблицы – «табл. 1». Графики и таблицы можно делать в любых доступных программах с указанием всех данных и подписями к осям шрифтом «Times New Roman». Одним из наболее удобных графических редакторов является «Sigma Plot».

При оформлении графиков, полученных экспериментально, рекомендуется отображать все точки, соответствующие измеренным значениям, поместив их поверх кривой. Иначе говоря, такие точки следует «выколоть». Общепринятым является маркер в форме белого круга. В случае, если на графике необходимо отобразить несколько экспериментальных кривых, следует использовать маркеры другой формы (квадраты, треугольники и т.д.) и линии другого вида прорисовки (пунктир, штрих-пунктир, двойной штрих-пунктир и т.д.).

Для удобства обработки данных, где необходимо использовать свойства одной из шкал, например, в калибровочных графиках, шкалу следует разбить на соответствующее число основных и вспомогательных делений или даже нанести сетку линий, с целью повышения точности и подтверждения полученных результатов.

В случае, если по графику необходимо определить ту или иную величину, все их следует отобразить прямо на графике с указанием последовательности действий. Это можно показать стрелочками на вспомогательных пунктирных линиях. На рис. 3.1 представлен пример такого графика. Все графики должны быть подписаны, обработаны и прокомментированы в тексте пункта «Ход работы».

9

	E/E0, отн. ед.
	1,0
Emax	0,9
E0	0,8
	0,7
	0,6
Emin	0,5
E0	0,4
	0,3
	0,2
	0,1
	0,0										I, мкА
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
				Imin				Imax
	Рис. 3.1. Пример оформления графика из лабораторной работы № 1 [11].

В таблицах в строке обозначений величин следует обязательно указать размерности всех вводимых данных.

Пример оформления:

№	х, мм	I, А	I/I0, отн. ед.
1.	15,0	15	0,15
2.	15,2	20	0,20
3.	15,4	24	0,24

Следите за стилем при оформлении графиков! Имеется в виду, размер шрифта во всех графиках должен быть одинаковым, и подписи к осям должны

10