Лекция №1. Общие положения теории электромагнитного поля. Основные законы электродинамики

Алматы 2011

ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Радиотехники

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

СОСТАВИТЕЛИ: Куликов А.А., Хорош А.Х. Теория передачи электромагнитных волн. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации». – Алматы: АУЭС, 2011. – 58 с.

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 5В071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» всех форм обучения.

В конспекте лекций по курсу «Теория передачи электромагнитных волн» рассматриваются основные принципы распространения электромагнитных волн в различных средах, основные типы волноводов предназначенных для передачи электромагнитных волн, приведен обзор основных элементов волноводных трактов, а также рассмотрены вопросы согласование элементов волноводных трактов.

Табл. – 2, ил. – 56, библиогр. – 8 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, проф. С.В. Коньшин

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2009 г.

Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

Содержание

Лекция №1. Общие положения теории электромагнитного поля. Основные законы электродинамики Лекция №2. Плоские электромагнитные волны. Поляризация волн Лекция №3. Падение плоских электромагнитных волн на границу раздела двух сред Лекция №4. Падение плоской электромагнитной волны на границу раздела с немагнитной хорошо проводящей средой. Линии передачи Лекция №5. Прямоугольный металлический волновод Лекция №6. Волны высших типов в прямоугольном волноводе. Поверхностные токи. Энергетические характеристики Лекция №7. Круглый металлический волновод Лекция №8. Коаксиальный волновод Лекция №9. Полосковые линии передачи и диэлектрический волновод Лекция №10. Распространение ЭМВ в линиях конечной длины Лекция №11. Потери в линиях передачи электромагнитной энергии. Свободные колебания в объемных резонаторах Лекция №12. Согласование линий передачи Список литературы

В курсе «Теория передачи электромагнитных волн» рассматривается классическая нерелятивистская электродинамика. Это частная версия теории электромагнетизма, в которой основные понятия - напряженности полей, заряды и токи - не выводятся из чего-либо, а постулируются. Кроме того, методы, которые мы будем использовать, справедливы в условиях, когда скорости движущихся тел много меньше скорости света.

Согласно основным положениям макроскопической электродинамики электромагнитное поле (ЭМП) в каждой точке, в каждый момент времени определяется четырьмя величинами: - вектор напряженности электрического поля, В/м; - вектор электрического смещения, Кл/м²; - вектор напряженности магнитного поля, А/м; - вектор магнитной индукции, Тл. Кроме этих четырех векторов в уравнениях электромагнитного поля присутствуют еще две величины: плотность свободного электрического заряда (А/м²) и плотность электрического тока (тока проводимости) (Кл/м³), они характеризуют источники поля - заряды и токи.

Если нет макроскопических перемещений вещества, то плотность тока и плотность заряда связаны уравнением непрерывности:

, (1.1)

выражающим тот факт, что ток проводимости обусловлен движением свободных зарядов. - сила действующая на заряд q.

Векторное поленеобходимо для описания электрического поля в материальной среде (например, в диэлектрике) - поле электрического смещения. Магнитное поле в отличие от электрического поля взаимодействует с движущимися заряженными частицами и описывается вектором магнитной индукции .

В результате движения в электромагнитном поле на заряд q действует Сила Лоренца: . Первое слагаемое обусловлено электрическим полем, второе – магнитным.

- характеризует силу тока через единичную площадку перпендикулярную вектору скорости заряженных частиц.

q - объемная плотность заряда в объеме V.

Векторы ЭМП и величины j и r зависят от 3-х пространственных координат и времени t. Они связаны между собой системой уравнений Максвелла:

, (1.2)

, (1.3)

, (1.4)

. (1.5)

Уравнение (1.2) называют обычно первым, а (1.4) - вторым уравнениями Максвелла Дж. Кларка. (1873 - трактат об электричестве и магнетизме).

Все 4 уравнения - обобщение опытных данных.

Уравнение (1.2) - дифференциальная формулировка закона полного тока и гипотезы Максвелла о токе смещения.

Уравнение (1.3) - закон Гаусса.

(1.4) - закон электромагнитной индукции (Фарадей).

(1.5) - закон неразрывности магнитных силовых линий.

Система уравнений (1.2)-(1.5) справедлива для электромагнитных полей в любых средах, но их недостаточно для решения конкретных задач (неизвестных больше чем уравнений). (1.3) и (1.5) - практически скалярные уравнения. В систему следует включить уравнения, учитывающие влияние среды на протекающие в ней электромагнитные явления, называемые материальными уравнениями (1.6)-(1.8):

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Величиной - абсолютной диэлектрической проницаемостью - характеризуют свойства диэлектриков (веществ, не проводящих электрический ток) неполярных и полярных:

.

Где ε₀ – электрическая постоянная (ε₀=10^-9/36π Ф/м),

– относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная величина) (вакуум, воздух 1; полиэтилен = 2,25; пресная вода 81).

Свойства магнетиков характеризуют магнитная проницаемость или абсолютная магнитная проницаемость:

.

Где =4*10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Величина может быть меньше 1 и много больше.

У диамагнетиков - уменьшающих поле - <1 (как правило, близко к единице). К ним относится большинство веществ.

У парамагнетиков, увеличивающих магнитное поле, - незначительно больше 1. (кислоты, азот некоторые металлы и т.д.)

Особый класс веществ - ферромагнетики. У них .

σ (См/м) - удельная проводимость (серебро – 6.1*10⁷, медь – 5.7*10⁷).

Уравнение (1.8) называют законом Ома в дифференциальной форме.

Уравнения (1.6)-(1.8) охватывают электромагнитные свойства достаточно большого числа сред, но многие свойства реальных веществ не учитывают, т.е. соотношения прямой пропорциональности между и , и - в линейных средах могут нарушаться.

В диэлектрике нелинейная зависимость наблюдается каждый раз, когда становится очень высокой и возникает электрический пробой.

Нелинейные свойства в обычных условиях проявляют сегнетодиэлектрики.

Особый интерес представляют материальные среды, в которых векторы и - неколлинеарные. В этом случае свойства среды зависят от направления распространения ЭМВ через нее - анизотропные среды (ферриты, ионосфера и т.д.)

Для описания их свойств используют тензорную форму и , например, в декартовой системе координат:

.

Все прочие можно считать изотропными средами.

Процесс измерения любого поля - в сущности, извлечение некоторой энергии из поля, т.е. необходимо определить, как связана энергия поля с величинами, характеризующими поле.

Согласно макроскопической теории поля электромагнитная энергия распределена в пространстве, занятом полем, с некоторой объемной плотностью таким образом, что электромагнитная энергия, содержащаяся в объеме V, выражается в виде объемного интеграла:

. (1.9)

W - полный запас энергии ЭМП внутри объема V в фиксированный момент времени (измеряется в Дж).

Изменяться во времени эта энергия может за счет двух процессов:

1) Она может внутри данного объема превращаться другие, неэлектромагнитные формы энергии (тепловая, химическая, кинетическая ускоренных частиц...) или возникать из неэлектромагнитных форм.

2) Эта энергия, оставаясь электромагнитной, может вытекать из данного объема (или втекать в него) через поверхность S, ограничивающую данный объем.

Первый процесс характеризуется мощностью потерь Р_ПОТ.

Второй - мощностью излучения S.

, (1.10)

, (1.11)

где

(1.12)

вектор плотности потока мощности электромагнитного поля - вектор Пойнтинга (1884 - английский ученый)

Величины Р_ПОТ и S могут быть положительными и отрицательными (отрицательность Р_ПОТ - идет превращение других видов энергии в электромагнитную; отрицательность S показывает, что в данный объем поступает энергия из внешнего пространства). Выражения (1.11)-(1.12) справедливы для любых сред.

Величина объемной плотности электромагнитной энергии

.

Мощности тепловых потерь

,

где ρ – объемная плотность мощности тепловых потерь

.

Теорема Остроградского-Гаусса:

токи и заряды являются источниками ЭМП, а также сами возникают под действием поля. На практике приходится учитывать также токи и заряды, которые вызываются внешними источниками и практически не зависят от возбужденного ими электромагнитного поля.

Такие токи принято называть "сторонними" и векторное поле плотности сторонних токов следует ввести, как заранее заданную функцию в уравнения Максвелла, а также в уравнение Умова-Пойнтинга:

,

где .

Соотношение Умова-Пойнтинга представляет собой математическую формулировку закона сохранения энергии для электромагнитного поля

Так как в большинстве практических задач материальные среды можно считать линейными, то в них будет справедлив принцип суперпозиций ЭМП: если частные решения уравнений Максвелла, то решением будет и сумма вида .

Решение уравнений можно значительно упростить, если исключить временную переменную.

Для упрощения уравнений Максвелла вводится величина

(1.13)

называемой комплексной диэлектрической проницаемостью данного вещества, которая учитывает и проводящие и поляризационные свойства.

Рисунок 1.1 – Угол диэлектрических потерь

Действительная часть - интенсивность процесса поляризации, мнимая - плотность токов проводимости (потери) (см. рисунок 1.1).

В комплексной плоскости (см. рисунок 1.1) - угол диэлектрических потерь (в справочниках обычно приводят tg):

.

На частотах СВЧ диапазона для хороших диэлектриков tg=10^-5¸10^-4, если tg>10^-3 - диэлектрик принято считать плохим.

При анализе гармонических полей удобней использовать комплексный вектор Пойнтинга:

. (1.14)

Действительная его часть равна плотности потока мощности усредненной за период (действительный вектор, который определяет направление переноса энергии):

.

Если комплексный вектор Пойнтинга чисто мнимый, то процесс не переносит мощности (перенос реактивной мощности).

Дата добавления: 2014-01-05