Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf

Введение

В радиотехнике и электротехнике определенный круг задач ре­ шают с помощью теории цепей, которая применима до тех пор, пока сохраняет смысл понятие электрической цепи, позволяющее от­ влечься от существования электромагнитного толя. Использование этого понятия возможно только в случаях низкочастотного (в том числе постоянного) тока -в так называемых квазистационарных си­ стемах, когда размер системы L c значительно меньше длины элек­ тромагнитной -волны X:

4 « Я

Это условие обеспечивает в данный момент времени -постоянство величины мгновенного тока во всей системе, так как сдвиг тока по фазе Дф на одном конце системы относительно тока на другом ее конце мало отличается от нуля:

Изучение быстропеременных электромагнитных процессов, ког­ да приведенное условие не выполняется, за исключением отдельных случаев требует отказа от теории цепей и сосредоточения внимания на электромагнитном поле системы. Характерными примерами та­ ких систем являются антенны, радиотракт (пространство между пе­ редатчиком и приемником), линии передачи энергии на сверхвысо­ ких частотах (электромагнитные колебания дециметрового, санти­ метрового и более короткого диапазонов длин волн): волноводы, колебательные системы на этих частотах — полые резонаторы и другие системы.

Известно также, что обычные радиолампы в силу ряда причин (конечное время пролета электронов, паразитные индуктивности и емкости) не могут быть использованы для работы в области сверх­ высоких частот (СВЧ ). В этом случае вместо них используют элек­ тронные приборы, работающие на иных принципах: клистроны, маг­ нетроны, лампы бегущей волны и др. При разработке электрон­ ных приборов СВ Ч приходится определять электромагнитное поле в них и исследовать характер взаимодействия этого поля с элек­ тронным потоком.

Следует отметить, что в ряде случаев при -постоянном или мед­ ленно меняющемся токе электромагнитное поле приходится рас­ сматривать, если изучаются процессы, протекающие в -протяженных областях, например, при решении некоторых задач геологоразведки исследуют электрическое поле между электродами, зарытыми в зем­

8

дает научную базу, позволяющую решать перечисленные выше и целый комплекс других электродинамических задач. Эта часть яв­ ляется теоретической основой для второй части курса («Распрост­ ранение радиоволн»), В целом же курс «Электродинамика и рас­ пространение радиоволн» представляет собой научный фундамент для последующих радиотехнических дисциплин, таких, как «Антен­ но-фидерные устройства», «Приемные и передающие устройства», «Электронные приборы», «Радиолокация и радионавигация» и др.

Электродинамика изучает уравнения, описывающие электромаг­ нитные поля и движение в них зарядов. Возникает вопрос, что же следует понимать под электромагнитным полем?

Диалектический материализм рассматривает электромагнитное поле как особый вид материи, характеризующийся силовым воздей­ ствием на заряженные частицы. Материальность электромагнитно­ го поля подтверждается результатами экспериментальных исследо­ ваний и соответствует философскому определению материи, дан­ ному В. И. Лениным [9]:

«Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается наши­ ми ощущениями, существуя независимо от них».

Свойства электромагнитного поля как особого вида материи су­ щественно отличаются от свойств других видов материи, например материи в виде вещества. В условиях макроскопического наблюде­ ния электромагнитное поле проявляет себя обычно как непрерывно распространяющийся волновой процесс, вещество же ведет себя как дискретная структура. Скорость распространения электромагнит­ ной волны в данной среде имеет определенную величину, для ва­ куума она составляет с ж 300 000 км/сек. Скорость же перемещения частиц вещества согласно теории относительности может иметь лю­ бую величину, меньшую с. Наряду с указанным существенным от­ личием имеет место и диалектическая общность этих двух видов материи. Как известно, вещество состоит из элементарных частиц. В условиях микроскопического наблюдения в электромагнитном поле в свою очередь проявляются дискретные свойства — оно со­ стоит из отдельных квантов или фотонов. Следует указать также, что частицы вещества (электроны и позитроны) при определенных условиях могут преобразовываться в частицы света (фотоны). При столкновении электрона и позитрона происходит процесс их анни­ гиляции, т. е. эти частицы перестают существовать как частицы ве­ щества и переходят в два фотона с соблюдением закона сохране­ ния энергии и импульса.

Электромагнитное поле, как и другие виды материи, обладает массой и энергией. Существование инертной массы у электромаг­ нитного поля экспериментально доказал выдающийся русский фи­ зик П. Н. Лебедев, который в 1899 г. измерил давление света, яв­ ляющегося одной из разновидностей электромагнитных волн. Масса т электромагнитного поля, соответствующая его энергии W, опре­

9

деляется формулой А. Эйнштейна:

т

w

С2

Так как скорость распространения света с велика, то, как по­ казывают расчеты по приведенной формуле, массы электромагнит­ ных полей, создаваемых с помощью современных технических средств, очень малы, однако не равны нулю.

Так, радиостанция мощностью 1000 кет в течение одного часа излучает электромагнитное поле с массой

т — 106.3600 = 4- ІО -8 [лгг].

9-1016

Небольшими являются также массы непосредственно достигаю­ щих поверхности Земли электромагнитных излучений Солнца и дру­ гих звезд.

В последнее десятилетие во Вселенной обнаружены внегалакти­ ческие, очень удаленные от Земли источники сверхмощных излуче­ ний электромагнитных волн, названные радиозвездами. Масса, соответствующая полному потоку электромагнитной энергии, излу­ чаемой радиозвездой, может достигать значительной величины.

Так, например, поток электромагнитной энергии, излучаемой за 1 сек ближайшей радиозвездой 3C273, отстоящей от Земли на рас­ стоянии 1,5 млрд, световых лет, равен W7^2 -1039 дж/сек, что в 100 раз превышает энергию излучения всей нашей Галактики. М ас­

А. Эйнштейн в 1916 г. высказал мысль о том, что световой луч будет искривляться в поле тяготения, т. е. электромагнитное поле обладает также гравитационной массой. Эддингтон в 1919 г. экспе­ риментально подтвердил это, измерив отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца. В 1960 г. Р. В. Паунд «взвесил» све­ товой луч, использовав метод измерения частот Р. Мессбауера. По­ скольку инертная и гравитационная массы эквивалентны, рассмот­ ренные эксперименты П. Н. Лебедева, Эддингтона и других ученых с различных позиций подтвердили наличие массы у электромагнит­ ного поля и, следовательно, окончательно доказали его материаль­ ность.

Электромагнитное поле является носителем энергии, способной преобразовываться в другие пиды энергии — тепловую, механиче­ скую, химическую.

Представление об электромагнитном поле как о простом совме­ щении в одной и той же области пространства электрического и

10

магнитного полей является ошибочным. Физической объективно су­ ществующей реальностью является единое электромагнитное поле как неразрывная совокупность электрического и магнитного полей. Деление поля на электрическую и магнитную составляющие связа­ но с условиями опыта или, как говорят, с выбором системы отсчета. При этом в зависимости от условий опыта оно может проявляться в виде электрического или магнитного поля, либо в виде обоих по­ лей. Например, поле электрически заряженного тела, неподвижно расположенного относительно наблюдателя, регистрируется послед­ ним только в виде электрического поля. При перемещении же за­ ряда по отношению к наблюдателю он будет регистрировать, кроме электрического поля, наличие электрического тока и связанного с ним магнитного поля. Подобным образом можно рассмотреть так­ же поле постоянного магнита при отсутствии и наличии движения его относительно наблюдателя.

В заключение общей характеристики электромагнитного поля приведем опре­ деления некоторых основных понятий электромагнетизма, принятых Комитетом технической терминологии АН С С С Р [10].

Электромагнитное поле. Особый вид материи, отличающийся непрерывным распределением в пространстве (электромагнитные волны) и обнаруживающий дискретность структуры (фотоны), характеризующийся способностью распростра­ няться в вакууме (в отсутствии сильных гравитационных полей) со скоростью, близкой к 3-108 м/сек, оказывающий на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости.

Электрический заряд. Свойство частиц вещества или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд электрона и др.); количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами.

Электрическое поле. Одно из проявлений электромагнитного поля, обуслов­ ленное электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающее силовое воздействие на заряженные частицы и тела и выявляемое по силовому воздействию на неподвижные заряженные тела и частицы.

Магнитное поле. Одно из проявлений электромагнитного поля, обусловленное электрическими зарядами движущихся заряженных частиц и тел и изменением электрического поля, оказывающее силовое воздействие на движущиеся заряжен­ ные частицы и выявляемое по силовому воздействию, направленному нормально

кнаправлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости.

Вданной книге мы будем рассматривать макроскопическую тео­ рию электромагнитного поля, т. е. будем изучать взаимодействие зарядов и вызванных ими полей на расстояниях, значительно пре­ вышающих внутриатомные расстояния. При этом взаимодействия

отдельных зарядов, входящих в строение атомов вещества, рассмат­ ривать не будем. Нас будет интересовать только суммарное макро­ скопическое проявление взаимодействия внутриатомных зарядов с внешним электромагнитным полем (поляризация, намагниченность вещества).

Основными уравнениями, или постулатами, макроскопической теории электромагнитного поля являются уравнения, изложенные Д ж . Максвеллом в 1873 г. в труде «Трактат об электричестве и маг­ нетизме». Эти уравнения, получившие название уравнений Максвел­ ла, математически связывают векторы поля друг с другом, а также

П