Черенков В.С., Иваницкий А.М

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Раздел 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ…………
1.1. Источники электромагнитного поля……………………………………..
1.2. Векторы электромагнитного поля………………………………………..
1.3. Материальные уравнения. Классификация сред………………………..
1.4. Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной формах...
1.5. Граничные условия для векторов электромагнитного поля……………
1.6. Метод комплексных амплитуд…………………………………………...
1.7. Уравнения Максвелла для комплексных векторов электромагнитного поля…………………………………………………..
1.8. Комплексная диэлектрическая и магнитная проницаемости среды…..
1.9. Энергия электромагнитного поля……………………………………….

Раздел 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ………………………
2.1. Решение уравнений Максвелла для комплексных амплитуд………….
2.2. Плоские электромагнитные волны в среде без потерь…………………
2.3. Плоские электромагнитные волны в среде с тепловыми потерями…...
2.4. Поляризация электромагнитных волн…………………………………...
2.5. Распространение волн в анизотропных средах………………………….

Раздел 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ………………………………
3.1. Типы направляющих систем……………………………………………..
3.2. Классификация направляемых волн……………………………………..
3.3. Особенности распространения волн в направляющих системах………
3.4. Волны в прямоугольном волноводе……………………………………..
3.5. Волны в круглом волноводе……………………………………………...
3.6. Волны в коаксиальном кабеле……………………………………………
3.7. Волны в двухпроводной и полосковой линиях…………………………
3.8. Диэлектрический волновод. Световод…………………………………..
3.9 Направляющие системы с медленными волнами ………………………
3.10. Затухание волн в направляющих системах…………………………….

Раздел 4. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН…………………
4.1. Понятие элементарного электрического излучателя…………………..
4.2. Поле элементарного электрического излучателя в дальней зоне……..
4.3. Мощность и сопротивление излучения элементарного электрического излучателя……………………………………………….

4.4. Диаграмма направленности элементарного электрического излучателя……………………………………………….
4.5. Перестановочная двойственность уравнений Максвелла………………
4.6. Элементарный магнитный излучатель и его поле излучения………….
4.7. Принцип эквивалентности. Принцип Гюйгенса………………………...
4.8. Принцип взаимности……………………………………………………...
4.9. Параметры антенн…………………………………………………………
4.10. Симметричный электрический вибратор………………………………
4.11. Директорные антенны…………………………………………………...
4.12. Зеркальные антенны……………………………………………………..

Раздел 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН……….
5.1. Законы Снеллиуса. Коэффициенты Френеля……………………………
5.2. Явление полного прохождения волны через границу двух сред………
5.3. Явление полного отражения от плоской границы раздела двух сред…
5.4. Структура электромагнитного поля при полном внутреннем отражении……………………………………………………
5.5. Поле вблизи поверхности хорошего проводника. Приближенные граничные условия. Явление поверхностного эффекта………………...
5.6. Дифракция электромагнитных волн……………………………………..
5.7. Параметры Земли. Учет рельефа земной поверхности при распространении радиоволн…………………………………………
5.8. Параметры тропосферы. Влияние тропосферы на распространение радиоволн. Тропосферная рефракция…………………………………….
5.9. Строение ионосферы. Понятие критической и максимально применимой частот слоев ионосферы. Влияние ионосферы на распространение радиоволн………………………………………………
5.10. Классификация радиоволн по способам распространения…………...
5.11. Классификация радиоволн по диапазонам…………………………….
5.12. Расчет действующего значения напряженности поля. Понятие множителя ослабления. Основное уравнение радиолинии…………...
5.13. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов…..

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………….
Приложение А. Вывод уравнений Максвелла в дифференциальной форме
Приложение В. Вывод граничных условий для векторов электромагнитного поля……………………………………..
Приложение С. Волноводные устройства……………………………………
Приложение D. Режимы работы линий передачи конечной длины. Согласование линии с нагрузкой…………………………...
Приложение Е. Математический аппарат электродинамики……………….

С развитием техники, которое характеризует переход к более высоким частотам, появились многочисленные устройства, которые для своего изучения требуют нового подхода, называемого полевым или электродинамическим.

Цель курса «Техническая электродинамика» состоит в том, чтобы:

1. Научиться выявлять ситуации, которые для своего изучения требуют полевого подхода, и в которых менее точные методы не «работают».

2. Ознакомиться с основными методами решения задач электродинамики.

3. Ознакомиться с основными положениями, необходимыми для понимания принципов работы волноводных устройств.

4. Ознакомиться с основными закономерностями распространения радиоволн в реальных условиях.

Электродинамика, которая изучается в настоящем курсе, называется макроскопической электродинамикой, электродинамикой сплошных сред, классической электродинамикой, электродинамикой Максвелла. Все четыре названия одинаково часто встречаются в литературе.

Что имеют в виду, когда говорят, что предмет изучения – макроскопическая электродинамика. Из курса физики известно, что истинное (микроскопическое) электрическое (магнитное) поле меняется весьма быстро в пространстве и во времени. Это поле различно в различных точках атомов и в промежутках между ними. Когда говорят о макроскопическом электрическом (магнитном) поле, то имеется в виду, что это поле представляет собой результат пространственного усреднения микроскопического поля. При этом пространственное усреднение производится по так называемым физически бесконечно малым объемам.

Термин «физически бесконечно малый объем» обязан своим происхождением открытию дискретной структуры вещества и означает столь малый объем, что его размеры во много раз меньше расстояний R, на которых поле (макроскопическое) значительно меняется, и в тоже время настолько большой, что в нем содержится большое число атомов. Следовательно, характерный линейный размер физически бесконечно малого объема h должен удовлетворять условию (a << h << R), где

~ 10^{-8 см – размер атома.}

Таким образом, при изучении макроскопической электродинамики мы абстрагируемся от дискретной структуры вещества, т.е. считаем среду (вещество) сплошной (электродинамика сплошных сред).

Когда говорят о том, что электродинамика является максвелловской, имеют в виду, что четыре векторные величины, которые характеризуют электромагнитное поле (

), удовлетворяют уравнениям Максвелла.

Специально поставленные опыты, а с развитием техники, в сущности, повседневная практика показали, что уравнения Максвелла "работают" во всей наблюдаемой в настоящее время Вселенной – вплоть до расстояний порядка десятков миллиардов световых лет, которые стали доступны для наблюдений благодаря достижениям радиоастрономии.

Сказанное выше можно пояснить следующим простым образом. Предположим, что кто-то утверждает, что он изобрел какое-то устройство, например, антенну, которая создает электромагнитное поле определенного вида и напишет соответствующие формулы для векторов электромагнитного поля, создаваемого этой антенной. Не зная электродинамики Максвелла (уравнений Максвелла), невозможно это проверить без изготовления антенны и проведения измерений. В настоящее время это делать не обязательно. Если написанное изобретателем поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, то изобретенное устройство можно реально создать.

Говоря чисто математически, электродинамика, которая изучается в этом курсе – это теория уравнений Максвелла, которые для электромагнитного поля играют ту же роль, что и законы Ньютона для механики.

При изучении настоящего курса значительное внимание будет уделено не только чисто физическим следствиям из уравнений Максвелла, но и конкретным устройствам, которые находят широкое применение в технике связи (полые волноводы, коаксиальные и полосковые линии, световоды, замедляющие системы, объемные резонаторы, невзаимные устройства и многие другие).

При этом следует еще раз подчеркнуть, что целый ряд устройств и явлений может быть изучен только электродинамическими методами.

Чтобы продемонстрировать мощь электродинамических методов приведем некоторые примеры.

1. Излучатели. Эффект излучения поля может быть легко описан только с помощью полевого подхода. В теории цепей явление излучения не учитывается.

2. Для техники связи и техники СВЧ важнейшими устройствами являются так называемые направляющие системы – совокупность проводов и (или) диэлектриков, вдоль которых могут распространяться электромагнитные волны. Используя методы теории цепей с распределенными параметрами удобно выяснить лишь некоторые свойства тех направляющих систем, которые имеют как минимум два изолированных проводника (двухпроводная линия, коаксиальный кабель и некоторые другие).

3. Объемные резонаторы – как закрытые, используемые в качестве колебательных контуров в области СВЧ, так и открытые, используемые в лазерах. Принцип работы этих устройств может быть легко понят только с помощью полевого (электродинамического) подхода.

Большинство задач электродинамики можно отнести к двум классам. В задачах первого класса требуется найти структуру электромагнитного поля по заданным источникам (это прямые задачи). В задачах второго класса, наоборот, по заданной структуре поля надо найти источники (обратная задача).

В настоящем курсе анализируются электромагнитные поля и явления в различных средах, рассматриваются вопросы расчета параметров различных устройств, используемых в аппаратуре связи и радиотехнике, а также рассматриваются процессы в устройствах, где основные явления носят волновой характер.