Тема 1. Введение в теорию ЭМП

И. В. Богачков

Электромагнитные

Поля и волны

Учебное пособие

3-е издание, дополненное

Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций

в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям

подготовки бакалавров и магистров 550400 – Телекоммуникации,

подготовки дипломированных специалистов 654400 – Телекоммуникации

Омск

Издательство ОмГТУ

УДК 537.8(075)

ББК 22.313+22.336я73

Б73

Рецензенты:

Н. И. Горлов, д-р техн. наук, профессор,

зав. каф. «Линии связи» СибГУТИ (г. Новосибирск);

Ю. А. Пальчун д-р техн. наук, профессор,

академик Метрологической академии, Ученый секретарь СНИИМ

Богачков, И. В.

Б 73 Электромагнитные поля и волны: учеб. пособие / И. В. Богачков. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. – 144 с.

ISBN 978-5-8149-0707-3

Приведена программа изучения дисциплины «Электромагнитные поля и волны», которая состоит из 21 темы. Каждая тема содержит указания к изучению, основные сведения, контрольные вопросы и задания по теме, список рекомендуемой литературы.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов 654400 – Телекоммуникации (специальность 210402 «Средства связи с подвижными объектами») и подготовки бакалавров и магистров 550400 – Телекоммуникации всех форм обучения, а также может использоваться в учебном процессе других радиотехнических и связных специальностей (направление 210300 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи).

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 537.8(075)

ББК 22.313+22.336я73

© Омский государственный

Предисловие

Целью преподавания дисциплины «Электромагнитные поля и волны» является знакомство с основами теории электромагнитного поля (ЭМП), изучение особенностей структуры ЭМП и ЭМВ волн, распространяющихся в различных средах, и подготовка студентов к изучению дисциплин «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства», «Направляющие среды электросвязи и средства их защиты».

В результате изучения дисциплины приобретаются навыки проведения самостоятельного анализа физических процессов, происходящих в различных направляющих системах, устройствах СВЧ, в однородных и неоднородных средах, понимания сущности ЭМ совместимости.

Данная дисциплина находится на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку студентов. Приобретенные знания и навыки необходимы как для грамотной эксплуатации телекоммуникационной аппаратуры, так и для разработки широкого класса устройств, связанных с передачей и приемом сигналов.

Учебное пособие содержит 21 тему, где отражены все вопросы дисциплины «Электромагнитные поля и волны» согласно Государственному образовательному стандарту и рекомендованной учебно-методическим объединением типовой рабочей программе.

Каждая тема состоит из краткого содержания, указаний к изучению, основных сведений по теме, рекомендуемой литературы, контрольных вопросов и заданий для самопроверки.

При изучении всех тем следует придерживаться последовательности вопросов, изложенных в программе. В указаниях к теме обозначен круг вопросов и понятий, которым необходимо уделить особое внимание.

По каждой теме даны основные сведения.

Для упрощения поиска необходимого материала в конце каждой темы приведен подробный список рекомендуемой литературы, а также даны контрольные вопросы, ответы на которые помогут в закреплении знаний. Для полного усвоения дисциплины желательно, чтобы на все вопросы программы был найден ответ. Рекомендуется следующая схема ответа: определение, физическая сущность, место в теории ЭМП, практическая значимость, связь с другими понятиями.

Условные обозначения

ВОЛП (ВОЛС) – волоконно-оптическая линия передачи (связи);

ВЧ – высокие частоты (диапазон ВЧ 3…30 МГц);

ДЗ – дальняя зона (антенны, излучающей системы);

ДН – диаграмма направленности;

ДСК – декартова система координат;

КБВ – коэффициент бегущей волны;

КВЧ – крайне высокие частоты (30…300 ГГц);

КСВ – коэффициент стоячей волны (SWR);

ЛП – линия передачи;

МПЛ – микрополосковая линия;

ОВ – оптическое волокно;

ОВЧ – очень высокие частоты (30…300 МГц);

СВЧ – сверхвысокие частоты (3…30 ГГц);

ПП – показатель преломления оптоволокна;

СПЛ – симметричная полосковая линия;

ССК – сферическая система координат;

УВЧ – ультравысокие частоты (0,3…3 ГГц);

ЦСК – цилиндрическая система координат;

ЭМ – электромагнитный;

ЭМВ – электромагнитная волна;

ЭМП – электромагнитное поле;

– магнитная индукция, Т;

– электрическая индукция, Кл/м²;

– напряженность электрического поля, В/м;

– напряженность магнитного поля, А/м;

– величина, комплексно-сопряженная с ;

– единичный вектор (орт) по соответствующей координате (x);

– плотность потока мощности, Вт/м²;

F – магнитный поток, Вб;

Z_c – характеристическое сопротивление, Ом;

Z_в – волновое сопротивление, Ом;

I – сила тока, А;

U – напряжение, В;

P – мощность, Вт;

W – энергия, Дж;

c – скорость света в вакууме = 3×10⁸ (2,9979…×10⁸), м/с;

С – емкость, Ф;

L – индуктивность, Гн;

M_ik – взаимная индуктивность, Гн;

f – частота, Гц;

f_кр – критическая частота, Гц;

i – мнимая единица (i = );

j – плотность тока, А/м²;

k – волновое число, 1/м ( = – ig = b – ia);

– волновой вектор;

a – постоянная затухания, 1/м;

a_пр – постоянная затухания ЭМВ в проводнике, 1/м;

a_д – постоянная затухания ЭМВ в диэлектрике, 1/м;

b – постоянная фазы, 1/м;

g – комплексный коэффициент распространения (g = a + i b = i );

D° – толщина скин-слоя (глубина проникновения ЭМП в вещество), м;

e – относительная диэлектрическая проницаемость (для вакуума e = 1);

– комплексная величина e (с учетом потерь);

e₀ – электрическая постоянная = 1/36p × 10^–9 (8,854 × 10^–12), Ф/м;

e_a – абсолютная диэлектрическая проницаемость (e_a = e × e₀);

l – длина волны, м;

m – относительная магнитная проницаемость (для вакуума m = 1);

m₀ – магнитная постоянная = 4p × 10^–7 (1,257 × 10^–6), Гн/м;

m_a – абсолютная магнитная проницаемость (m_a = m × m₀);

s – удельная проводимость, См/м;

s_S – плотность поверхностного заряда, Кл/м²;

r – объемная плотность заряда, Кл/м³

w – циклическая частота (w = 2 pf), рад/с;

– скалярное произведение векторов и ;

– векторное произведение векторов и .

Тема 1. Введение в теорию ЭМП

Предмет и содержание курса. Краткая история развития учения об электромагнетизме. Роль русских учёных в развитии теории ЭМП.

ЭМП как одна из форм материи. Макроскопические и квантовые свойства ЭМП. Предмет классической электродинамики. Роль теории ЭМП в развитии науки, систем связи и вещания, телекоммуникации и др. Определение диапазонов, относящихся к области СВЧ.

Основные понятия теории ЭМП. Векторы ЭМП. Макроскопические параметры материальных сред. Материальные уравнения. Законы Ома и Джоуля в интегральной и дифференциальной формах.

Описание свойств векторных полей. Интегральные и дифференциальные характеристики физических полей. Основные теоремы векторного анализа. Операторы набла (Гамильтона) и Лапласа. Классификация векторных полей.