1. Описание электромагнитного поля

1.1. Силовые векторы электромагнитного поля

Электромагнитное поле характеризуется силами, действующими на заряды. Эти силы являются векторами. Поэтому электромагнитное поле описывается с помощью системы векторов.

На заряд, находящийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца:

(1.1)

где	q	- величина заряда частицы, взаимодействующей с полем, Кл;
	Е	- вектор напряженности электрического поля, В/м;
	v	- вектор скорости движения заряженной частицы, м/с;
	В	- вектор магнитной индукции, Т.

Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции описывают силы, действующие на заряды в электромагнитном поле, поэтому они называются силовыми.

Формула (1.1) наглядно показывает, что все проявления электромагнитного поля делятся на две группы явлений - электрические и магнитные. Поэтому обычно выделяют две составляющие электромагнитного поля - электрическое поле и магнитное поле.

Формула (1.1) подчеркивает еще один важный факт. Электрическое поле действует на любые заряды, движущиеся и неподвижные, а магнитное – только на движущиеся.

Таким образом, можно сформулировать следующие определения силовых векторов электромагнитного поля.

Вектором напряженности электрического поля называется сила, действующая на единичный электрический заряд:

(1.2)

Вектором магнитной индукции называется сила, действующая на единичный заряд, движущийся с единичной скоростью:

(1.3)

Так как вектор напряженности электрического поля воздействует на любой заряд, электрическое поле можно использовать для ускорения потока электронов и для изменения траектории его движения. Оба этих эффекта используются в осциллографических электронно-лучевых трубках.

Взаимодействие магнитного поля с потоком движущихся электронов описывается векторным произведением. Значит, сила действия магнитного поля направлена перпендикулярно траектории движения электронов. Поэтому магнитное поле может только изменять направление движения заряженных частиц - сфокусировать поток электронов или отклонять его. Оба эти эффекта используются в кинескопах.

Для описания процессов в вакууме знания напряженности электрического поля и магнитной индукции достаточно. Однако для правильного описания электромагнитного поля в материальных средах требуется ввести в рассмотрение параметры этих сред.

1.2. Электромагнитное поле в материальных средах

Среды, в которых существует электромагнитное поле, условно, для удобства описания их свойств, делят на три группы – диэлектрики, магнетики и проводники.

1.2.1. Поляризация диэлектриков

Основное свойство диэлектриков, определившее их название, состоит в том, что они не проводят электрический ток. Кроме того, при попадании в электрическое поле диэлектрикиполяризуются. По состоянию до попадания в электрическое поле диэлектрики подразделяются на две группы -неполярные и полярные.

Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков превращаются в электрические диполи. Это преобразование иллюстрирует рис. 1.1. Атом любого вещества представляет собой электрически нейтральное объединение заряженных частиц. Положительные заряды сосредоточены в ядре, а отрицательные – в электронной оболочке. Простейший атом водорода имеет в оболочке один электрон. В исходном состоянии (рис. 1.1, а) центр распределенного по электронной оболочке отрицательного заряда совпадает с центром положительного заряда ядра, и атом является электрически нейтральным.

Рис. 1.1. Поляризация атома водорода

Рис. 1.2. Поляризация полярных диэлектриков

Под действием внешнего электрического поля электронная оболочка атома деформируется (рис. 1.1, б). Орбита электрона вытягивается. Ее геометрический центр смещается относительно ядра. В результате атом превращается в электрический диполь. Это явление носит названиеэлектронной поляризации вещества.

Молекулы полярных диэлектриков всегда имеют дипольные свойства.В отсутствие внешнего электрического поля молекулярные диполи ориентированы в пространстве хаотически (рис. 1.2, а). Из-за этого их суммарное электрическое поле можно считать равным нулю.

Под действием внешнего электрического поля происходит упорядочение ориентации молекулярных диполей. Очевидно, что степень изменения ориентации диполей будет возрастать с увеличением напряженности электрического поля и падать при увеличении температуры.

Механизм действия величины напряженности электрического поля очевиден – чем она большего, тем выше степень упорядоченности положения молекулярных диполей. Но имеется предел, который наступит тогда, когда все элементарные диполи расположатся вдоль силовых линий электрического поля (рис. 1.2, б). Дальнейшее увеличение напряженности не приведет к увеличению дипольного момента.

Влияние температуры обусловлено тем, что хаотическое тепловое движение молекул нарушает их упорядоченное расположение, а скорость и амплитуда этого движения пропорциональны температуре.

Количественной характеристикой поляризации отдельной молекулы является ее дипольный момент:

(1.4)

где	l0	- орт дипольного момента,
	q	- величина заряда, Кл,
	l	- расстояние между зарядами, м

Так как обычно в единице объема вещества находится много молекулярных диполей, то в качестве меры поляризации диэлектрика вводится вектор поляризации. Он равен произведению количества диполей в единице объема на дипольный момент каждого из них:

(1.5)

где

N

- количество молекулярных диполей в единице объема вещества.

Вектор поляризации Р определяется в каждой точке объема поляризованного диэлектрика. Он зависит от концентрации элементарных диполей и от величины напряженности электрического поля, действующего внутри вещества.

Для описания явлений поляризации диэлектрика вводится вектор электрической индукции D. Его связь с вектором напряженности электрического поля и вектором поляризации описывается формулой:

(1.6)

где

ε0

- электрическая постоянная, Ф/м.

Электрическая постоянная определена экспериментально и равна 10^-9/(36π) Ф/м.

В вакууме, где поляризуемое вещество отсутствует, векторы напряженности поля и индукции связаны соотношением:

(1.7)

Следовательно, электрическая постоянная является коэффициентом пропорциональности между векторами электрической индукции и напряженности электрического поля в вакууме.

Для большинства распространенных сред существует прямо пропорциональная зависимость между вектором напряженности электрического поля и вектором поляризации:

(1.8)

где k_э- диэлектрическая восприимчивость вещества.

Таким образом, можно ввести универсальную характеристику диэлектрика - абсолютную диэлектрическую проницаемость:

(1.9)

Она связывает между собой векторы электрической индукции и напряженности электрического поля в диэлектрике:

(1.10)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость является коэффициентом пропорциональности между векторами электрической индукции и напряженности электрического поля в веществе.

В практических расчетах часто используется безразмерная характеристика диэлектрика - относительная диэлектрическая проницаемость:

(1.11)

Наиболее широко применяемые в радиотехнике диэлектрики имеют относительные диэлектрические проницаемости приблизительно от 2 до 4. Из широко распространенных диэлектриков максимальную относительную диэлектрическую проницаемость, 82, имеет вода.