Поля и Волны


                                  Лекция 1

                       Основы теории электромагнитного
                                    поля.

1.1. Информативность различных диапазонов волн.
1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ).
       1.2.1. Особенности СВЧ диапазона.
1.3. Поля или цепи ? Условие квазистационарности.
1.4. Векторные характеристики электромагнитного
       поля.
1.5. Материальные уравнения среды.
1.6. Методы описания физических явлений и расчета
       устройств СВЧ.

1.1. Информативность различных диапазонов волн.

          В последнее время все большее количество людей переходят из  сферы
материального  производства  в  сферу   обработки,   хранения   и   передачи
информации. Информацию можно излучать, либо передавать по кабельным  линиям,
волноводам, световодам  и  т.д.  Количество  информации  непрерывно  растет.
Ограничением  является  количество   каналов.  Любой  канал  может  передать
только определенную информацию.

                               тф
                                музыкальная передача

                                              газета



                ТВ
                                                                       20кГц
        f
                         240 МГц
                                               6 МГц


           Рассмотрим диапазоны метровых волн (КВ).     ( = 10 ( 100 [м],  f
= 30 ( 3 [МГц],  (f = 27 Мгц. Если в этом  диапазоне вести  телевидение,  то
можно организовать четыре канала или 6000 телефонных каналов.
Диапазон УКВ.
                ( = 1 ( 10 [м], f = 300 ( 30 [МГц], (f = 270 Мгц
                число телевизионных каналов - 40
                число телефонных каналов - 6*104
Сантиметровый диапазон:
                ( = 1 ( 10 см,  f = 30 ( 3 ГГц, (f = 27 ГГц (

                            nтелев. = 4000,  nтелеф. = 6*106
      Миллиметровый диапазон ( = 1( 10 мм, f = 30-300 ГГц, ?f ( 270 ГГц, nтв
( 4 . 104, nтф = 6 . 107
      Если посмотреть на оптический диапазон ( = 0,3 ( 3 мкм, f = 105 –  106
ГГц,  (f = 9 . 105 ГГц. nтв  (  1,5  .  108,  nтф  (  2  .  1011,  то  можно
удовлетворить все  потребности  технического  прогресса.  С  ростом  частоты
увеличивается информативность. Наращивание  каналов  связи  -  это  освоение
более высокочастотных диапазонов.

1.2. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ)

Диапазон СВЧ :   1 ГГц - 100 Ггц      1 ГГц = 109 Гц

1.2.1. Особенности СВЧ диапазона.

1.  Остронаправленность  излучения  при  сравнительно   небольших   размерах
  излучателей.
1. Большая информативность.
1. Квазиоптический характер распространения волн.

1.3. Поля или цепи ? Условие квазистационарности.

           Аппарат  теории  цепей  есть,  он  могучий.  Зачем  нужна  теория
электромагнитного  поля?   Противопоставлять  теорию  цепей  и  теорию  поля
нельзя. В одних условиях лучше одна  теория,  в  других  другая.  Рассмотрим
простейшую схему.



                                                ?


Вопрос:  Какие показания будут давать амперметры  ?  Одинаковые  или  нет  в
любой фиксированный момент времени?
Ответ: Да, если Т >> tзап. Запаздыванием процесса колебании от  одной  точки
к другой можно пренебречь. Т - период колебаний источника;
tзап - время запаздывания при распространении сигнала в цепи.
         Предположим l - линейные размеры цепи, С -  скорость  света,  тогда
 tзап = .   Если Т >>   (    Т  С  >>  l,  т.к.   Т  С  =  (,
следовательно:

                        ( >> l     -  условие квазистационарности.

    (1.3.1.)
            Если   условие   квазистационарности   выполняется,   то   можно
пользоваться   теорией   цепей.   Когда   условие   квазистационарности   не
выполняется, нужен другой анализ. В сантиметровом  и  оптическом  диапазонах
используется теория поля.

1.4. Векторные характеристики электромагнитных
       полей.

          Для полного описания свойств электромагнитных  полей  нужно  знать
положение, величину и направление в пространстве четырех векторов.
(
Е - вектор напряженности электрического поля.
(
Е(х, у,z,t) ( [В/м]
(
D - вектор электрического смещения
(
D(x,y,z,t) (  [кл/м2]
(
Н - вектор напряженности магнитного поля.
(
Н(х,у,z,t) ( [А/М]
(
В - вектор магнитной индукции
(
В(x,y,z,t) ( [Вб/м2]
((
Е, В - характеризуют силовые характеристики полей.
((
D,H -  характеризуют источники ЭМП

1.5. Материальные уравнения среды.

              Материальные уравнения устанавливают  связь  между  векторными
характеристиками  электромагнитных  полей  одинаковой  природы.   Рассмотрим
связь между  векторами D и Е, В и Н.
             Электромагнитные  процессы  могут  протекать  в  самых   разных
условиях. Электромагнитные  волны  пронизывают  ионосферу  (от  спутника  до
земной антенны). От свойств среды зависят условия  распространения.   Физики
подробно дают ответ на такие вопросы (физика твердого тела, физика плазмы  и
т.д.). В простом представлении (грубая модель) среды
разделяют на диэлектрические и магнитные. Диэлектрические среды  состоят  из
зарядов одинаковой величины и противоположных по знаку  (диполей).



                 
        +                -       pэ = q ?  - электрический момент.

 Многочисленные эксперименты и  строгие  теоретические  выводы  подтверждают
связь:
                                  (       (
                                  D = (a E

где   (а - абсолютная диэлектрическая проницаемость
                среды.
Для вакуума     (a = (0 = 8,85 * 10-12   [Ф/м].
Вводят понятие  относительной диэлектрической проницаемости:     (a  =  (отн
(0

                                 (отн = 

В    справочной    литературе   указаны значения   (отн.      Для  магнитных
веществ ситуация аналогичная:
                               (        (
                               B = (a H
(a - абсолютная магнитная проницаемость.
Для вакуума:
                              (a = (0 = 4 ( * 10-7    

Для удобства расчетов вводят понятие  относительной магнитной  проницаемости
:

                                 (отн =  

Выражения (1.5.1.) называют материальными уравнениями среды.
                         (       (
                  D = (a E
                        (        (
                         B = (a H
                         (       (
                                   (пр           =            (            E
(1.5.1.)
(пр - плотность тока проводимости []
( - удельная проводимость среды [].

1.6. Методы описания физических явлений и расчета
       устройств СВЧ диапазона.

Электродинамика, как основа описания физических явлений в СВЧ диапазоне.
Уравнения Максвелла, как обобщение экспериментальных  законов  электричества
и магнетизма.



-----------------------

А



А


(


А
1 2 3 4 5 6