[gl] Тема 1. Предмет и содержание курса[:]

1. Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Электромагнитное поле проявляет себя посредствам силового взаимодействия с теми частицами вещества, которые имеют электрический заряд. Заряд частицы может быть как положительным, так и отрицательным. Экспериментально установлено, что заряд дискретен: величины любых зарядов с точностью до знака кратны элементарному заряду “е”, равному приблизительно 1,602*10^-19 Кл, заряд электрона равен “е”.

Всю совокупность электромагнитных явлений принято разделять на две группы: электрические и магнитные явления. В соответствии с этим выделяют две частные разновидности электромагнитного поля, носящие название электрического и магнитного полей. Представление электромагнитного поля в виде объединения электрического и магнитного полей означает признание их внутреннего единства и взаимообусловленности.

Математической моделью электрического поля в вакууме служит векторное поле Е- напряженность электрического поля, определяемой формулой:

F (r) = q E(r) (1.1)

где F (r) – вектор силы, действующей на заряд q в некоторой точке пространстве с радиусом – вектором r.

Для описания электрического поля в материальной среде (например в диэлектрике) вводят векторное поле D, называемое полем электрического смещения

D=E₀*E (1.2)

где- E₀ – электрическая постоянная

E₀ = 10^-19/(36П) = 8,842*10^-12 Ф/м

В СИ Е имеет размерность В/м, а D –Кл/м².

Для описания магнитного поля вводят векторное поле Н – называемое напряженностью магнитного поля.

В = μ₀ *Н (1.3)

где μ₀- магнитная постоянная

μ₀ = 4П * 10^-7 = 1,257 * 10^-6 Гн/м

В СИ В имеет размерность Тл, а Н – А/м

2.Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны  электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

3.В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

В Казахстане предельно-допустимые уровни ЭМП определены Санитарными нормами и правилами, утвержденные Постановлением Правительства РК №1341 от 15.11.11 г.

Тема 2. Основные уравнения электродинамики

2.1 а) Током проводимости называют коллективное (упорядоченное или хаотическое) движение заряженных частиц, в среде или в вакууме.

Для подробного описания радиотехнических систем недостаточно знать тока во внешней цепи, необходимо располагать сведениями об интенсивности и направленности движения носителей заряда в каждой точке проводящего тела. С этой целью вводят векторное поле плотности тока проводимости I_пр:

I_пр = Nqv (2.1)

где N –концентрация носителей

q – заряд носителя

v – скорость носителя.

Плотность тока проводимости пропорционально действует сила, т.е. напряженность электрического поля.

I_пр = σЕ (2.2)

где σ – удельная проводимость

I_пр – имеет размерность А/м².

б) Опытным путем установлено: электрический заряд не уничтожается и не создается из ничего, он может быть лишь перераспределен между телами при их непосредственном контакте.

Закон сохранения заряда

(2.3)

- объемная площадь заряда (Кл/м³)

в) Закон Гаусса:

Данный закон, найденный экспериментально устанавливает связь между векторным полем Е и величиной заряда Q, порождающего это электрическое поле.

(2.4)

По закону Гаусса, поток векторного поля Е, порожденного зарядом, через замкнутую поверхность S числено равного величине заряда, деленной на электрическую постоянную.

- Закон Гаусса в дифференциальной форме (2.5)

г) Закон неразрывности магнитных силовых линий

Экспериментально обнаружено, силовые линии векторного поля магнитной индукции В всегда замкнуты в пространстве независимо от того, создается ли поле постоянными магнитами или катушками с током.

Закон неразрывности магнитных силовых линий в интегральной форме:

(2.6)

в дифференциальной форме:

(2.7)

Эквивалентной формулировкой данного закона служит утверждение о том, что векторное поле В нигде не имеет источников. Следовательно, никаких магнитных зарядов в природе не существует.

Векторные поля без источников, т.е. с нулевой дивергенцией называют соленоидальными полями.

д.) Закон полного тока

Протекание электрического тока по проводнику сопровождается возникновением в окружающем пространстве магнитного поля.

Пусть имеется воображаемый контур L, в который опирается жидкой поверхности S. Поверхность S пронизывается некоторой системой токов, которые распределены в пространстве с некоторой плотностью J.

Полный ток пронизывающий контур,

(2.8)

Закон полного тока формулируется так: циркуляция вектора магнитного поля Н по контуру L равна полному току

- в интегральной форме (2.9)

- в дифференциальной форме (2.10)

е) Ток смещения

Из практики известно, что переменный ток способен протекать по замкнутой цепи, содержащей конденсатор, несмотря на то, что в пространстве между обкладками отсутствуют какие-либо носители электрического заряда. В этой области протекает легкий ток, который по своей природе принципиально отличный, от рассматриваемого ранние тока проводимости. Этот ток называется током смещения.

Плотность тока смещения:

(2.11)

Изменение во времени электрического поля в какой либо точке пространства приводит к возникновению тока смещения в окрестности этой точки. Ток смещения вызывает появление магнитного поля.

ж) Закон электромагнитной индукции

Изменение во времени магнитного поля ведет к возникновению электрического поля. В1831 году Фарадей экспериментально обнаружил, что на зажимах проводящей катушки, помещенной в магнитное поле, возникает разность потенциалов. Основываясь на этом открытии Максвелл, сформулировал закон электромагнитной индукции.

- закон электромагнитной индукции

в интегральной форме (2.12)

Закон электромагнитной индукции не только констатирует факт возникновения электрического поля под действием переменного магнитного поля, но и устанавливает количественную меру данного явления

- магнитный поток, пронизывающий контур L.

- закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме

Электромагнитное поле, возникающее под действием переменного магнитного поля, имеет в каждой точке пространства ротор (вихрь). Подобные поля называют вихревыми.