4. Погонная емкость коаксиального кабеля.
Рассмотрим отрезок кабеля длиной l. Найдем заряд q1 на поверхности внутреннего цилиндра и заряд на поверхности внешнего цилиндра q2. Для этого вначале найдем поверхностную плотность заряда с помощью граничных условий (6.18). Используя явный вид электрического поля (6.53) получаем следующий результат.
(6.70)
Так как поверхностные плотности заряда (6.70) являются постоянными величинами, заряды на цилиндрических поверхностях найдем, умножив плотность заряда на величину поверхности цилиндра.
(6.71)
Из формул (6.71) следует что, на внутреннем и внешнем цилиндрах отрезка кабеля находятся заряды одинаковые по величине и разные по знаку.
(6.72)
Таким образом, отрезок кабеля является заряженным цилиндрическим конденсатором, емкость которого C определяется следующим выражением.
(6.73)
Используя формулы (6.71) для заряда и формулу (6.54) для напряжения, находим емкость отрезка кабеля.
(6.74)
В
дальнейшем нам понадобится погонная
емкость кабеля
,
или емкость единицы длины кабеля.
Погонная емкость кабеля определяется
следующим выражением.
(6.75)
5. Плотность энергии электромагнитного поля в коаксиальном кабеле.
Электромагнитная волна в кабеле распространяется в пространстве между цилиндрами. Это пространство заполнено диэлектриком – полиэтиленом. Полиэтилен является немагнитной бездисперсионной средой. В такой среде плотность энергии электромагнитного поля определяется следующей формулой.
(6.76)
В формуле (6.76) электрическое и магнитное поле берутся в действительном виде. Подставим в формулу (6.76) поля в виде монохроматических волн (6.57) бегущих вдоль кабеля. В результате получим следующее выражение для плотности энергии электромагнитного поля.
(6.77)
Усредненная по времени за один период плотность энергии примет следующий вид.
(6.78)
Из формулы (6.78) видно, что плотность энергии электромагнитной волны состоит из двух частей – плотности энергии электрического поля <we(r)> и плотности энергии магнитного поля <wm(r)>.
(6.79)
Учитывая поляризацию электромагнитного поля в кабеле (6.43), и явный вид электрического и магнитного полей (6.53), получаем следующие выражения плотностей энергии.
(6.80)
Сделаем некоторые выводы. Во-первых, из формул (6.80) следует, что электрическая и магнитная составляющие плотности энергии в кабеле равны друг другу. Во-вторых, из формулы (6.66) для проекции вектора Пойнтинга на ось кабеля <SPz(r)> и формул (6.79), (6.80) плотности энергии в кабеле <w(r)>, следует следующее соотношение.
(6.81)
Здесь v – фазовая скорость волны в кабеле. Простое соотношение (6.81) устанавливает связь между средними значениями вектора Пойнтинга и плотностью энергии.