Введение

С развитием техники, которое характеризует переход к более высоким частотам, появились многочисленные устройства, которые для своего изучения требуют нового подхода, называемого полевым или электродинамическим.

Цель курса «Техническая электродинамика» состоит в том, чтобы:

1. Научиться выявлять ситуации, которые для своего изучения требуют полевого подхода, и в которых менее точные методы не «работают».

2. Ознакомиться с основными методами решения задач электродинамики.

3. Ознакомиться с основными положениями, необходимыми для понимания принципов работы волноводных устройств.

4. Ознакомиться с основными закономерностями распространения радиоволн в реальных условиях.

Электродинамика, которая изучается в настоящем курсе, называется макроскопической электродинамикой, электродинамикой сплошных сред, классической электродинамикой, электродинамикой Максвелла. Все четыре названия одинаково часто встречаются в литературе.

Что имеют в виду, когда говорят, что предмет изучения – макроскопическая электродинамика. Из курса физики известно, что истинное (микроскопическое) электрическое (магнитное) поле меняется весьма быстро в пространстве и во времени. Это поле различно в различных точках атомов и в промежутках между ними. Когда говорят о макроскопическом электрическом (магнитном) поле, то имеется в виду, что это поле представляет собой результат пространственного усреднения микроскопического поля. При этом пространственное усреднение производится по так называемым физически бесконечно малым объемам.

Термин «физически бесконечно малый объем» обязан своим происхождением открытию дискретной структуры вещества и означает столь малый объем, что его размеры во много раз меньше расстояний R, на которых поле (макроскопическое) значительно меняется, и в тоже время настолько большой, что в нем содержится большое число атомов. Следовательно, характерный линейный размер физически бесконечно малого объема h должен удовлетворять условию (a << h << R), где ~ 10^-8 см – размер атома.

Таким образом, при изучении макроскопической электродинамики мы абстрагируемся от дискретной структуры вещества, т.е. считаем среду (вещество) сплошной (электродинамика сплошных сред).

Когда говорят о том, что электродинамика является максвелловской, имеют в виду, что четыре векторные величины, которые характеризуют электромагнитное поле (), удовлетворяют уравнениям Максвелла.

Специально поставленные опыты, а с развитием техники, в сущности, повседневная практика показали, что уравнения Максвелла "работают" во всей наблюдаемой в настоящее время Вселенной – вплоть до расстояний порядка десятков миллиардов световых лет, которые стали доступны для наблюдений благодаря достижениям радиоастрономии.

Сказанное выше можно пояснить следующим простым образом. Предположим, что кто-то утверждает, что он изобрел какое-то устройство, например, антенну, которая создает электромагнитное поле определенного вида и напишет соответствующие формулы для векторов электромагнитного поля, создаваемого этой антенной. Не зная электродинамики Максвелла (уравнений Максвелла), невозможно это проверить без изготовления антенны и проведения измерений. В настоящее время это делать не обязательно. Если написанное изобретателем поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, то изобретенное устройство можно реально создать.

Говоря чисто математически, электродинамика, которая изучается в этом курсе – это теория уравнений Максвелла, которые для электромагнитного поля играют ту же роль, что и законы Ньютона для механики.

При изучении настоящего курса значительное внимание будет уделено не только чисто физическим следствиям из уравнений Максвелла, но и конкрет­ным устройствам, которые находят широкое применение в технике связи (полые волноводы, коаксиальные и полосковые линии, световоды, замедляю­щие системы, объемные резонаторы, невзаимные устройства и многие другие).

При этом следует еще раз подчеркнуть, что целый ряд устройств и явлений может быть изучен только электродинамическими методами.

Чтобы продемонстрировать мощь электродинамических методов приведем некоторые примеры.

1. Излучатели. Эффект излучения поля может быть легко описан только с помощью полевого подхода. В теории цепей явление излучения не учитывается.

2. Для техники связи и техники СВЧ важнейшими устройствами являются так называемые направляющие системы – совокупность проводов и (или) диэлектриков, вдоль которых могут распространяться электромагнитные волны. Используя методы теории цепей с распределенными параметрами удобно выяснить лишь некоторые свойства тех направляющих систем, которые имеют как минимум два изолированных проводника (двухпроводная линия, коаксиальный кабель и некоторые другие).

3. Объемные резонаторы – как закрытые, используемые в качестве колебательных контуров в области СВЧ, так и открытые, используемые в лазерах. Принцип работы этих устройств может быть легко понят только с помощью полевого (электродинамического) подхода.

Большинство задач электродинамики можно отнести к двум классам. В задачах первого класса требуется найти структуру электромагнитного поля по заданным источникам (это прямые задачи). В задачах второго класса, наоборот, по заданной структуре поля надо найти источники (обратная задача).

В настоящем курсе анализируются электромагнитные поля и явления в различных средах, рассматриваются вопросы расчета параметров различных устройств, используемых в аппаратуре связи и радиотехнике, а также рассматриваются процессы в устройствах, где основные явления носят волновой характер.