- •Раздел 1. Предмет, цели и задачи изучения теории электромагнитные поля и волны
- •Тема 1. Предмет, цели и задачи изучения теории электромагнитные поля и волны
- •Вопрос 1. Историческая справка.
- •Вопрос 2. Электромагнитное поле, общие понятия.
- •Вопрос 3. Операторы теории поля.
- •Вопрос 3. Скалярное и векторное представления (математические понятия).
- •Раздел 2. Основные уравнения электромагнитного поля
- •Тема 1. Основные уравнения электромагнитного поля
- •Вопрос 1. Основные положения теории электромагнитного поля
- •Вопрос 2. Уравнения Максвелла
- •Вопрос 4. Плотность электромагнитной энергии и энергия, сосредоточенная в объеме.
- •Раздел 3 Отражение и преломление плоских волн на границе раздела двух сред
- •Тема 1. Отражение и преломление плоских волн на границе раздела двух сред
- •Вопрос 1. Плоские волны произвольной ориентации. Падение плоской волны на границу раздела двух диэлектриков
- •Вопрос 2. Закон Снелиуса
- •Вопрос 3. Угол Брюстера. Условия полного прохождения волны во вторую среду.
- •Раздел 4 Общие свойства волн, распространяющихся в линиях передачи
- •Тема 1. Общие свойства волн, распространяющихся в линиях передачи
- •Вопрос 1. Направляющие системы и краевые задачи
- •Тема 2. Элементы линий передачи
- •Вопрос 1. Возбуждение электромагнитных волн в линиях передачи. Возбудители типов волн.
- •Вопрос 2. Элементы коаксиальных линий передач.
- •Раздел 5. Направляемые волны и поля в ограниченных объемах
- •Тема 1. Полые металлические волноводы.
- •Вопрос 1. Направляемые волны в прямоугольном металлическом волноводе
- •Вопрос 2. Ослабление волн при распространении в волноводе
- •Вопрос 3. Направляемые волны в круглом металлическом волноводе
- •Тема 2. Линии передачи с т волнами
- •Тема 3. Диэлектрические волноводы и оптоволоконные линии передачи.
- •Вопрос 1. Общие свойства диэлектрических волноводов
- •Вопрос 2 Диэлектрический волновод круглого сечения. Типы волн в диэлектрическом волноводе.
- •Вопрос 3. Световоды. Структура и параметры диэлектрических волноводов.
- •Вопрос 4. Квазиоптические линии передачи.
- •Раздел 6 Излучение электромагнитных волн
- •Тема 1. Излучение электромагнитных волн
Раздел 1. Предмет, цели и задачи изучения теории электромагнитные поля и волны
Тема 1. Предмет, цели и задачи изучения теории электромагнитные поля и волны
Вопрос 1. Историческая справка.
Практическое использование свойств электромагнитных колебаний началось с 1895 года, когда Попов А.С. обнародовал результаты своих исследований в области радио.
Все последующие годы шло довольно интенсивное изучение и практическое применение этого открытия в различных отраслях науки и техники. В последнее десятилетие, как известно, взамен кабельных линий связи стали применять волоконно-оптические линии.
Основным объектом изучения электродинамики является электромагнитное поле. Электромагнитное поле представляет собой особый вид материи. Главнейшие этапы развития теории и практики электродинамики следующие.
В 1753 и в 1756 годах Ломоносов высказал мысль о динамической природе электричества, о связи между электрическими и световыми явлениями. В 1820 году Ампер исследовал влияние тока на ток, в 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В 1873 году Максвелл опубликовал “Трактат об электричестве и магнетизме”, где математически изложил основные законы электромагнитного поля. В 1888 году Герц дал метод решения уравнений Максвелла и экспериментально доказал возможность существования электромагнитных волн в пространстве.
В 1895 году Попов осуществил первую в мире радиосвязь с помощью электромагнитных волн. В 1899 году Лебедев экспериментально доказал давление света, то есть электромагнитных волн, на тела. Энштейн в 1916 году высказал мысль об искривлении светового луча в поле тяготения, а Эддингтон в 1919 году измерил отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца. В 1960 году Паунд взвесил световой луч.
Электромагнитное поле является носителем энергии, способной преобразовываться в другие виды энергии, что широко используется в настоящее время.
Вопрос 2. Электромагнитное поле, общие понятия.
Под электромагнитным полем (ЭМП) понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимно связанных и взаимно обусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Важнейшей отличительной особенностью внешнего ЭМП является его способность оказывать силовое воздействие на заряженную частицу, которое зависит от величины электрического заряда частицы и скорости ее движения. В телекоммуникации используются переменные во времени поля. В таких полях электрическая часть неотделима от магнитной и наоборот. Однако теория ЭМП использует исторически накопленный опыт изучения электрических и магнитных явлений в природе, начиная с постоянных во времени (стационарных) процессов.
Постоянные электрическое и магнитное поля могут существовать раздельно, независимо друг от друга, но они не могут быть использованы для передачи информации. В современной теории переменного ЭМП – электродинамике продолжается использование понятий электрического и магнитного полей, как двух форм проявления единого ЭМП.
Всю совокупность электромагнитных явлений принято разделять на две группы. К первой группе относятся электрические, а ко второй — магнитные явления. В соответствии с этим обычно выделяют две частные разновидности электромагнитного поля, носящие название электрического и магнитного полей.
Электрическое поле характеризуется силовым взаимодействием как с неподвижными, так и с движущимися зарядами, причем в результате этого взаимодействия изменяется кинетическая энергия движущейся заряженной частицы вещества. В вакууме электрическое поле может быть однозначно представлено с помощью векторного поля его напряженности Е по формуле
,
где F — вектор силы, действующей на пробный заряд q.
Если ограничиться только исследованием процессов в вакууме, то задание напряженности электрического поля в каждой точке пространства является достаточным. Однако, как будет показано далее, для правильного описания электрического поля в материальных средах, например в диэлектриках, требуется ввести в рассмотрение второе векторное поле D, названное полем электрического смещения (или электрической индукции). Вектор D в вакууме связан с вектором Е соотношением
,
где - размерная постоянная, найденная экспериментально и названная электрической постоянной вакуума.
Магнитное поле характеризуется силовым взаимодействием лишь с движущимися зарядами, причем кинетическая энергия заряженных тел остается при этом постоянной. Как и при электрическом взаимодействии, магнитное поле в вакууме может быть описано с помощью единственного векторного поля. Таким полем является поле магнитной индукции В. Принцип его определения основан на том, что точечный заряд q, движущийся в электромагнитном поле со скоростью v, испытывает действие силы, называемой силой Лоренца:
.
Первый член суммы в правой части (1.3) является уже известной силой, обусловленной электрическим полем, в то время как второй член характеризует составляющую силы, вызванную наличием магнитного поля. Магнитная часть силы Лоренца действует всегда перпендикулярно к траектории частицы и поэтому действительно не может изменить ее кинетической энергии. Другими словами, магнитное поле может использоваться не для ускорения (торможения) заряженных частиц, а лишь для изменения конфигурации их траекторий, например, для фокусировки электронных пучков.
В природе существует довольно обширный класс веществ, помещение которых в магнитное поле приводит к существенному изменению последнего. Такие вещества называются магнетиками. Для описания явлений, происходящих в магнетиках, задание одного векторного поля В оказывается недостаточным. Поэтому в рассмотрение вводится второе векторное поле Н, называемое напряженностью магнитного поля. В вакууме векторы В и Н связаны между собой соотношением
,
где размерная постоянная, называемая магнитной постоянной вакуума.
Считают, что поле определено, если в каждой точке пространства в любой момент времени известны величины и направления четырех векторов E, D, B и H. Так как вектор определяется своими компонентами, то каждый из векторов (например, вектор E (x,y,z)) представляет собой три математические пространственно-временные функции от x,y,z и t. В формальном (математическом) подходе к понятию «поле», его можно рассматривать как физическую величину (силу), которая в разных точках пространства принимает различные значения.
Теория ЭМП сложилась в результате накопления и обобщения экспериментальных фактов, а также развития математического аппарата, который опирается на векторный анализ. В основных уравнениях ЭМП векторы E, D, B ,H связаны с помощью операторов «дивергенция» и «ротор» с другими величинами р и J .
Электрический заряд в каждой точке пространства характеризуется объёмной плотностью
, Кл/м2 (1.1)
где q – суммарный заряд в объеме.
Упорядоченное движение зарядов через каждую точку поля характеризуется вектором плотности электрического тока проводимости А/м2. Суммарный электрический ток, протекающий через некоторую поверхность S является скалярной величиной и связан с Jnp интегральным соотношением
, (1.2)
где dS - представляет вектор элементарной площадки. Интеграл вида (1.2) называют потоком вектора J через поверхность S. Следовательно, электрический ток можно рассматривать как поток плотности тока через заданную поверхность.