Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн (3-е изд., 1989) (1152088), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Авторы составили специальные программы интегрирования дифференциальных уравнений силовых линий; они многократно применяются при изложении учебного материала (см. Приложение, с. 538). Использованы средства машинной графики. На наш взгляд, это должно заметно облегчить восприятие материала при увеличении информативности изложения. По мнению авторов должно способствовать изучению ' курса введение двух градаций материала.
Символом А, поставленным после названия соответствующего раздела, обозначен минимально необходимый материал курса, а символом Б — более сложный материал, относительно громоздкие выводы, а также дополнительные комментарии. В начале большинства глав в краткой форме приведены необходимые математические сведения.
И, наконец, в тексте специально выделены выводы формул и примеры, заканчивающиеся знаком ° . В конце каждой главы приведены упражнения. Все это должно облегчить самостоятельную работу студентов и, кроме того, помочь преподавателям по-разному формировать лекционный курс. ВВЕДЕНИЕ В основе теории электромагпетизма лежит представление об электромагнитном поле. В простейшем случае термин «поле» употребляется, когда надо сопоставить каждой точке пространства некоторую физическую характеристику.
В этом смысле говорят о «поле температур» материальной среды или, например, о «поле скоростей» частиц жидкости, газа. В сущности, при этом просто определяются какие-то функции координат и, быть может, времени: температура, скорость и т. п. Подобно этому об электрическом поле формально моя но говорить как о «поле сил»; каждый раз имеется в виду сила, которая будет действовать на единичный положительный точечный заряд, если его поместить в пространство, где действует поле. Понятие поля в этих примерах имеет всего лишь некоторое описательное значение. Электромагнитное поле характеризуется некоторыми векторными функциями координат и времени; они будут рассматриваться в $1.1. Какое же физическое содержание отвечает этому описательному аппарату? Рассмотрим, например, такой реализуемый в принципе эксперимент.
В вакууме расположены две антенны; передающая и приемная (рис. В.1). Передача электромагнитной энергии производится в течение короткого интервала времени т, а остальное время передатчик бездействует. Пусть д — П время Аг, в течение которого энергия достигает приемной антенны, больше т (пусть да- ри«. ВЛ жв А$ Ф т). В таком случае легко указать время, когда энергия уже излучена передающей антенной, но еще не поступила в приемную, а следовательно, локализована в вакууме. Ее носитель, таким образом,— это не привычная нам материальная среда, а иная физическая реальность. Именно она и есть электромагнитное поле; слово «поле» мы употребили для обозначения некоторой объективной реальности. В философском смысле электромагнитное поле следует рассматривать как одну из форм существования материи. Хотя проявления электромагнитных сил в природе люди наблюдали с давних времен, научные понятия в этой области сложились сравнительно недавно; к ним, разумеется, нельзя относить ВВЕДГЫИЕ первые представления древних.
В 1784 — 1789 гг. были опубликованы работы Шарля Кулона об электрических и магнитных взаимодействиях. Известный закон Кулона, который изучается в наше время уя«е в средней школе, поразительно похож па открытый в предшествующем веке Ньютоном закон тяготения. Найденный позднее закон Ампера о взаимодействии токов и другие закономерности этого рода идейно близки закону Купола: действие одного объекта на другой, как полагали исследователи, происходит без всякого участия промежуточной среды, мгновенно. Это так называемый припцип дальподействия, т. е. действия на расстоянии, вошедший в науку вместе с механикой Ньютона.
С именем Майкла Фарадея (1791 — 1867 гг.) связано зарождение иной концепции в теории электромагнетизма, принципа близяодействия, согласно которому взаимодействие осуществляется через посредство среды (в частности, вакуума), являющейся «вместилищемз электромагнитного процесса; при этом возникает вопрос о времени передачи взаимодействия. Исключительный вклад в науку было суждено внести Джемсу Клерку Максвеллу (1831— 1879 гг.). В современной физике уравнения Максвелла являются фундаментальными законами теории электромагнетизма. Максвеллу принадлежит теоретический вывод о существовании электрол«агнитных волк — вместе с гипотезой об электромагнитной природе света.
Этот вывод явился результатом анализа, отправной точкой которого были физические идеи Фарадея. Возбуждение электромагнитных волн в лаборатории и их экспериментальное исследование было осуществлено позднее Генрихом Герцем (1857— 1894 гг.), который внес также значительный вклад в теорию электромагнетизма. Герц предвосхитил многое из того, что мы относим теперь к радиотехнической электродинамике.
В частности, в своих опытах он иопользовал параболические зеркала, в которых можно видеть прообраз современных зеркальных антенн. Тем не менее, он не ставил вопрос о техническом применении электромагнитных волн. Историческая заслуга изооретения беспроводной связи — радио — принадлежит нашему соотечественнику А. С. Попову (1859 — 1906 гг.). Отметим еще, что для подтверждения электромагнитной природы света решающими оказались опыты другого русского ученого П. Н. Лебедева (1866 — 1911 гг.), измерившего световое давление.
Можно без преувеличения сказать, что радиотехника явилась широчайшей опытной базой теории электромагнетизма, основывающейся на уравнениях Максвелла, а также стимулятором ее дальнейшего развития. Вместе с радиотехникой появилось понятие радиоволп, т. е. электромагнитных волн в радиотехнических системах. Важным научным направлением стало исследование распространения радиоволн в природных условиях — над Землей и в космосе. Проблема излучения и приема электромагнитной энергии, переносимой радиоволнами, привела к теории антенн. ВВЕДЕНИЕ В первых опытах длина радиоволн измерялась метрами.
В начале нека, когда радиосвязь приобрела уже практическое значение, использовались главным образом длинные волны (длиной порядка километра). Но, начиная с двадцатых годов, в радиотехнической практике осваиваются волны все более короткие. Возникшая в военное время радиолокация дала этому процессу мощный толчокв в технику вошли волны дециметровые, сантиметровые, а затем и миллиметровые, которые теперь имеют многочисленные применения в разных областях.
Эта практика изменила многое как в самой радиотехнике, так и в ее теоретических основах. Дело в том, что ранее размеры элементов радиоаппаратуры оставались намного меньше длины волны. Благодаря этому основные представления электротехники я используемая ею теория цепей были пригодны как аппарат расчетов, а радиотехническая аппаратура во многом напоминала электротехническую. Но такое положение не могло сохраниться, когда понадооилось создавать радиотехнические элементы, сравнимые по размерам с длиной волны. Это требует пояснения. Предположим, что электромагнитная энергия распространяется вдоль проводника, который мы хотим считать участком цепи (рис.
В.2), причем через два находящихся на расстоянии Ь сечения проходят токи 11(1) и 1«(1) соответственно. В теории цепей считают, что эти токи одинаковы, т. е. 11(г)=1«(г), но так ли это7 11усть 1~(Г)=1 совюГ. Поскольку /г для распространения электромагнитного процес- / са на расстояние Ь пушко время Л1=1/о, где и — скорость, то фазу ом ток 1«будет иметь толь- г ко по истечеппв времеви ЛД а в данный момент его фаза есть ю(à — Л1). Токи 11 и 1ю как мы видим, пе равны, поскольку имеется фазовое различие Л~р = ь.Лг (может, папрвмер, оказаться, Ряс. В.2 что 1«=0, когда 1~ —— 1 ).
Учитывая известную связь скорости, длины волны и частоты (о =/), /= ю/2я), имеем Л~р= 2я1,/Х. Такнч ооразом, фазовое запаздывание пренебрежимо мало, когда 1 «Х, (В.1) где 1, надо понимать как максимальный размер объекта. Прп этом ток во всех сечениях цепи можно считать неизменным. Неравенство (В,1) называют условием квазистационарности. Теория цепей переменного тока, вообще говоря, пригодна, если оно выполняется. В дальнейшем будет показано (гл. 9), что по мере ослаоления условия квазистациопарности все большая часть энергии, связанной с проводником, по которому проходит ток, излучается в пространство.
В теории аптевя существенно отклонение от условия (В.1), а многие современные антенны, обладающие высокой паправлен- ввкдкник костью, многократно превышают длину волны по своим размерам. Что касается элементов радиоаппаратуры на сантиметровых и миллиметровых волнах, то принципы их построения далеки от старых электротехнических образцов. Примечательно, например, использование различных волноводов в виде полых металлических труб, диэлектрических стержней и т.
п., а также аналогично построенных резонаторов вместо так называемых колебательных контуров, включающих емкостные и индуктивные элементы. Для понимания принципов действия, сознательного применения и конструирования подобных устройств необходимо знание теории электромагнетизма, базирующейся на уравнениях Максвелла. Благодаря широкому применению оптических квантовых генераторов — лазеров — в радиотехническую практику вошли чрезвычайно короткие волны; размеры соответствующей аппаратуры всегда очень велики в сравнении с длиной волны. В этой области электродинамическая теория смыкается с оптикой. Задачи теории электромагнетиэма, порождаемые радиотехнической практикой, нередко настолько слон.ны, что только появление современных ЭВМ делает ату теорию средством проектирования аппаратуры, уже автоматизированного.
Главным предметом книги являются электромагнитные волновые процессы, существенно важные для радиотехники. Изложение начинается — после краткого напоминания необходимых математических сведений — уравнениями Максвелла, о значении которых в теории электромагнетизма уже говорилось выше, ЧАСТЬ 1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Глава 1 ИСХОДНЫЕ НОНЯТИЯ И УРАВНЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА $1.0. Используемые математические понятия и символы 1.0Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
