Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 237
Скачиваний: 9
лой (4.46) взаимно компенсируются. Элементы же /dl? с координатами ср и —Ф
создают в точке наблюдения Р равные составляющие векторного потенциала, имеющие направления, совпадающие с азимутальным направлением ?о- Переби рая попарно все элементы витка, убеждаемся, что вектор Аэ имеет только состав
ляющую Лэ<рdlf. |
= d l |
cos ф, то из (4.46) имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Так как |
|
cos tp |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Аэ = <?о |
Р а |
1 |
|
|
dl |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
4л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из геометрии задачи следует также, что |
dl = pod(p |
и |
|
|
c o s? р( |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
О Р ' |
|||||||||||||
Г2 = (Р'Р)2 + |
(]ѴР')2 = |
(Р '.Р )2 + (0 Р ')2 + |
р2 — 2 |
|
||||||||||||||
ИЛИ |
|
|
|
г2 = |
г \ |
+ Ро —• 2ро^с s in |
9cos ¥• |
|
|
|
||||||||
поэтому |
|
|
|
4л |
/и. |
|
|
|
Po —Po cos |
<?d!f |
|
|
|
|
14.49) |
|||
|
Аэ = 9о |
|
|
|
|
|
sin ö cos |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
ff |
{ r l |
+ |
|
|
|
2Por c si |
|
|
|
|
|
||
Если учесть, что |
|
|
ро, |
то |
|
|
|
1/2 |
|
|
11 |
+ /■сPo’csin |
Ѳ |
|||||
|
|
|
|
|
ISin ѳ |
|
|
|
|
|
Гс V |
|
||||||
|
(г* + Ро — 2рогс |
|
cos <р) |
|
|
|
|
|
|
|
o s |
|
||||||
Тогда после интегрирования выражение для векторного потенциала приобре |
||||||||||||||||||
тает вид |
|
|
|
|
|
:90 Ра^ Ро sm |
|
|
|
|
|
|
(4.50) |
|||||
Напряженность магнитного поля найдем, выполняя операции дифференциро |
||||||||||||||||||
вания в сферической системе координат (см. приложение III): |
|
|||||||||||||||||
|
Н = |
|
1 |
|
|
h l |
|
|
|
|
|
Ѳо sin Ѳ). |
(4-51) |
|||||
|
— rot Аэ = |
-------(го 2 cos Ѳ+ |
|
|||||||||||||||
Сравнение |
(4.51) с |
Pa |
|
|
4r \ |
|
что виток |
ведет себя подобно дипо |
||||||||||
|
(4.15a) |
показывает, |
|
|||||||||||||||
лю, находящемуся в точке О и ориентированному по оси |
Oz. |
Перепишем (4.51) |
||||||||||||||||
|
так, чтобы множитель перед скобками по форме был аналогичен множителю вы
ражения (4.15а): |
Н = --------- — (r02 cos Ѳ+ Ѳ0 sin Ѳ), |
(4.52) |
|||
|
|
|
|
Pit |
|
где |
рм |
|
|
4лр.аг® |
|
|
— абсолютное значение момента диполя: |
|
|||
|
|
|
|
Рм — z oPm• |
|
|
Из сравнения (4.52) и (4.51) находим магнитный момент витка: |
||||
где S b — площадь витка. |
Рм = ^оРа^ИРо ~ ^Ора^в> |
(4.53) |
|||
|
Выражение (4.53) может быть использовано для определения момента витка |
||||
некруглой конфигурации, |
если его размеры значительно меньше |
расстояния до |
точки наблюдения, в которой рассчитывается поле, создаваемое витком. |
|
4* |
99 |
|
§ 4.8. И НДУКТИ ВНОСТЬ. ЭН ЕРГИ Я СТАЦ И О Н АРН О ГО М АГН И ТН ОГО ПОЛЯ
В теории цепей важным параметром является индуктивность. Найдем выражение для этого параметра как результат решения уравнений электромагнитного поля, в частном случае, уравнения Пуассона для векторного потенциала.
Любое стационарное магнитное поле создается системой замк нутых токов, протекающих по замкнутым контурам из проводников. Каждый из этих контуров пронизывается суммарным магнитным потоком Фі (иначе говоря, с каждым контуром сцеплен магнитный поток), состоящим из потока, создаваемого током рассматриваемо го контура (Фц), и потоков, создаваемых токами других контуров
(Фг'/і) ■
'фі = Ф/1- f Ф/2 -(-••• + Ф« + . . . + фіи- |
(4.54) |
Если магнитная проницаемость постоянна, то в силу линейности уравнений поля (4.41), (4.42) магнитные потоки прямо пропорцио нальны токам, их вызывающим:
|
|
|
|
|
|
Фи = |
МцІ[, |
|
Ф/£=44,й/ъ |
(4.55) |
|
где |
М ц = £ і |
|
|
|
|
индуктивность, или коэффициент само |
|||||
|
|
М— собственная |
|
||||||||
индукции; |
|
ік |
— взаимная индуктивность, или коэффициент взаим |
||||||||
ной индукции. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
В |
интересующем нас случае двух контуров поток, сцепленный |
|||||||||
с контуром |
1, |
будет равен |
|
|
|
-1-Л412/2. |
(4.56) |
||||
|
1 |
1 |
1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
= Ж / |
|
Для определения взаимной и собственной индуктивностей рас смотрим два контура весьма малого поперечного сечения или, как говорят, две элементарные трубки с током dU и dlk (контуры і и £,
рис. 4.13).
Определим поток, создаваемый током dU, протекающим по кон туру і, и пронизывающий контур k. Воспользовавшись формулой (3.4) и теоремой Стокса (см. приложение III), получим
ДФй/= I* cfB;dSft — J rot A 3;dSft= (j)Ae/dlÄ> |
(4.57) |
где S k — поверхность, ограниченная контуром k длиной L h. После подстановки (4.46) в (4.57) находим
100
Li Lk |
(4.58) |
В случае контуров из линейных проводников, размеры попереч ных сечений которых весьма малы по сравнению с длиной контуров и расстоянием между ними, можно считать, что токи протекают по осям проводников и в формуле (4.58) можно заменить АФ/u и dU
соответственно на Ф^гкіи /,. Тогда коэффициент взаимной индукции |
|||||
М |
Ф |
hi |
|
dlidlfc |
(4.59) |
|
h |
4 я |
г |
|
|
|
|
|
|
Из формулы (4.59) следует, что M ki = M ik, так как результат интегрирования остается прежним при изменении порядка интегри рования.
Если же проводники нельзя считать линейными (рис. 4.14), то необходимо определить потокосцепление со всеми трубками конту
ра |
k |
магнитных потоков, |
создаваемых трубками с током контура |
і. |
|||||||||
Для этого подставим, |
в формулу |
(4.58) |
вместо |
dh |
выражение |
6 |
|
||||||
|
jdSi |
||||||||||||
и проинтегрируемl |
по |
S u |
а также заменим в ней выражение |
|
|
||||||||
С dlft_= _l_ |
С |
dl* |
для линейного тока соответствующим ему вы- |
||||||||||
J r |
|
/* |
J k— |
||||||||||
‘■ к |
|
|
‘-к |
|
|
|
|
|
M S< |
|
|
|
|
ражением для объемного тока |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
_ J _ |
Г g |
dSfedlft |
Ц |
dVb |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iк .) |
* Г |
hh j |
|
|
|
|
|
101
Тогда
ф“ = - й , 1 |
8'dS' 5dlf 5 |
5 5 |
• (4-6°) |
,5( |
Ll vk |
vi vk |
|
Отсюда коэффициент взаимной индукции двух объемных конту*
ров с токами |
М ы |
h |
— |
Г С |
bibkdVidVk _ |
(4.61а) |
|
|
|
|
4n///*J > |
г |
|
v і ѵ k
Из (4.61a) следует, что размерность коэффициента взаимной ин дукции не зависит от размерности тока, однако в общем случае его величина зависит от распределения токов по объемам контуров.
Коэффициент самоиндукции одного из контуров (например, і) получим из выражения (4.61а), принимая h = Ih и Vi—Vh-
Sib'-dVidV]
Г
ш { );
(4.616)
где Ьі — плотность тока в элементе dVn 6/ — плотность тока в эле менте dVi (см. рис. 4.14).
Виток из тонкого провода дает возможность упростить выраже ние для %і. Однако формулу (4.616) нельзя привести непосредст венно к виду (4.59), так как при двукратном интегрировании по оси проводника интеграл обращается в бесконечность.
Чтобы получить более простое выражение для Х и разделим маг нитный поток на две части (рис. 4.15, а): Ф = ФВнешн+ФвНутр. При этом Фвнешн определяется линиями магнитной индукции, располо женными целиком во внешней по отношению к проводнику среде, а Фвнутр — линиями магнитной индукции, проходящими внутри тела проводника. Следовательно,
102
2 г |
ф„ |
+ фвну тр |
; ^ в н сш н “ Ь ^ ВНуір* |
Внешнюю индуктивность приближенно определяют как взаим ную индуктивность между контуром L u совпадающим с осью про водника, и контуром Ь2 (рис. 4.15, б), ограничивающим виток с внутренней стороны:
( « U l
£. £»
Величину Фвнутр принимают приближенно равной внутреннему потокосцѳплению в отрезке длиной L\ бесконечно длинного прямо линейного провода круглого сечения. Можно показать, что внутрен няя индуктивность такого провода длиной L\ равна [2, 4]
•
- |
(4.62) |
где ра.п — абсолютная магнитная проницаемость материала провод ника.
Приведем для двух практических случаев расчетные формулы, найденные на основании полученных выражений.
1. Индуктивность тонкого круглого витка (из неферромагнитно го материала), расположенного в воздухе
|
|
£ = 1Ѵ к ( ln - ^ - 1 , 7 5 ) , |
(4.63) |
||||||
где |
гк |
— радиус витка, |
а |
— радиус провода. |
|
||||
2. |
|
двухпро |
|||||||
|
Индуктивность, |
приходящаяся |
на |
единицу длины |
|||||
водной линии (см. рис. 4.7, |
а) |
|
- ^ |
) . |
(4.64) |
||||
|
|
2 i = — L in — + |
|||||||
|
|
|
|
|
я; V |
а |
4 |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перейдем к рассмотрению энергии стационарного магнитного поля. Энергия в некоторой области V, связанная с магнитным по лем, в соответствии с главой 2 и выражением (3.4) определяется интегралом:
Ц7м= у ^ HBrfl/ = ^ H r o t A 3tfl/. |
(4.65) |
V V
Пользуясь тождеством Н rot Аэ = біѵ[Аэ,Н] + Аэ rot Н, находим
Гм = |
Т |
$ div[A- |
Н]</И + -і-^ А эгоШ<ИЛ |
|
V |
V |
103
С помощью равенства Остроградского — Гаусса первый член
преобразуется в поверхностный интеграл — ф [ А э, H]öfS, который
s
при удалении границы в бесконечность и локализации токов в огра ниченной области Го равен нулю.
Таким образом, учитывая всю энергию в пространстве, прихо
дим к выражению |
3 |
[ |
к М Ѵ . |
(4-66) |
^ и = Y |
$ A r o t = |
|
||
|
Vo |
Vo |
|
|
Интеграл (4.66) выражает магнитную энергию не путем непо средственного учета ее распределения в пространстве, а через ток, связанный с магнитным полем. Интеграл обращается в нуль во всех областях безграничного пространства, не содержащих тока.
Преобразуем выражение (4.66) для случая линейных токов:
V„J AJ6dV = |
L§ ÄSf A 38dSdl = |
L(j) |
7A3dl = |
/(j)L |
A 3dl. |
Согласно теореме Стокса |
|
f BdS = |
Ф. |
|
|
cf Agdl = J rot A 3dS = |
|
||||
L |
s |
|
s |
|
|
Тогда вместо (4.66) получим выражение
/Ф 5512
Для п контуров
і- 1 |
‘ |
/=1 |
Использовав (4.54), (4.55), получим
= т |
У] z ‘1' + і 2 |
1 M J , , i {‘ + k); |
(4.67) |
I ? |
|
|
Первый член в правой части определяет собственную, а второй член —■ взаимную энергию системы.
Для двух контуров с учетом того, что M ih= M ki, находим
Wu= ± { X xl\ + %2ІІ) + М пІ хІ 2. |
(4.68) |
104