103

Л Е К Ц И Я № 1

Тема: Введение. Основные уравнения электромагнитного поля

УЧЕБНЫЕ ЦЕЛИ:

1. Дать представление о законах и методах электродинамики.

2. Научить понимать уравнения Максвелла.

3. Дать знания основ электродинамики.

ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

1. Совершенствовать фундаментальные знания по специальности.

2. Формировать интерес и активность в изучении дисциплины.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Современный этап развития теории ЭМП и В. Роль и место учебной дисциплине в подготовке специалистов инфотелекоммуникаций.

2. Уравнения Максвелла в интегро-дифференциальной формах и их физический смысл.

3. Метод векторных комплексных амплитуд. Уравнение Максвелла в комплексной форме.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Фальковский О.И. ТЭД, стр. 6-39.

2. Марков Г.Т. Электродинамика и РРВ, стр.5-41.

3. Пименов Ю.Д. и др. ТЭД, стр. 6 - 36

4.Зернов Н.В. и др. Электромагнитные поля и волны, стр. 10-57, 171-176.

5.Петров Б.М. Электродинамика и РРВ, стр.12-43.

6. Пониматкин В.Е. Электромагнитные поля и волны.ч.1. С.3-20.

1. Современный этап развития теории ЭМП и В. Роль и место учебной дисциплине в подготовке специалистов инфотелекоммуникаций.

   Особенностью каждого временного периода является своя собственная ступенька общего эволюционного процесса, привнесенного в развитие теории и техники радиосвязи. Так, исторически, за многие столетия, начиная с работ греческих исследователей зарядов до наших дней, труд бесчисленного числа ученых мужей человечества создал современную систему радиосвязи. В соответствии с ГОСТом 24375 – 80 радиосвязь осуществляется посредством радиоволн. Радиоволны - это электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в среде без искусственных направляющих систем. радиоволна есть движущееся электромагнитное поле. Благодаря некоторым свойствам радиоволн радиосвязь использует их для передачи и приема информации в системах наземной, космической, спутниковой, тропосферной, ионосферной, метеорной, радиорелейной, телефонной, телеграфной, симплексной, дуплексной и других видах радиосвязи, а также – радиолокации, радионавигации, радиотелеуправлении, телеметрии, телевидении и т.д. Следовательно, электромагнитное поле и волна как физические понятия и их свойства являются фундаментальными знаниями, необходимыми специалистам, занимающимся разработкой теории и практики использования полей и волн в различных системах [1-12].

Исходя из приведенных определений и понятий подлежащая изучению дисциплина называется «Электромагнитные поля и волны».

Целесообразно рассмотреть краткий исторический период, в двести лет, ставший наиболее ярким периодом в становлении фундаментальных знаний теории и практики по выявлению и составлению описания свойств и практического использования электромагнитных полей и волн.

Источниками науки о полях впервые явились опыты, выполненные в начале девятнадцатого века выдающимися физиками - французским АМПЕРОМ и английским ФАРАДЕЕМ. Ампер установил взаимосвязь между электрическим током в проводнике и созданным им магнитным полем в окружающем проводник пространстве, обнаружив, таким образом, одну из составляющих поля - магнитную. Фарадей установил взаимосвязь между магнитным полем и наведенным им электрическим током в проводнике, обнаружив, таким образом, вторую составляющую поля - электрическую. Эти две составляющие легли в основу описания поля как электромагнитного, единого и неделимого. Все установленные законы, описывающие свойства поля через его составляющие, являются основой фундаментальных знаний классической электродинамики.

Толчком к наиболее интенсивным исследованиям свойств электромагнитных полей, а также их практического использования в качестве материальной основы передачи информации, явилась работа МАКСВЕЛЛА Д.К. “ О Фарадеевых силовых линиях “, опубликованная в 1856 г. Максвелл обобщил экспериментальные данные и обосновал в строгой математической форме теорию электромагнитных взаимодействий. А в 1864 г. он представил миру полную систему уравнений, ставшую основой теории электромагнитного поля и волн, а также основой классической электродинамики.

Опыты Г. ГЕРЦА, выполненные к 1888 г., подтвердили существование электромагнитного поля и волн, но не стали пока материальной основой передачи данных. Только в 1895 г. А.С.ПОПОВ на практических примерах обосновал и показал возможность использования радиоволн для передачи информации в системе беспроволочной связи. В последующем свойства электромагнитных полей (ЭМП) были установлены трудами ряда ученых - блестящие эксперименты П. Н. ЛЕБЕДЕВА по измерению светового давления доказали существование инертной массы у ЭМП; опыты СТОЛЕТОВА по фотоэффекту обосновали наличие энергии у ЭМП; работы же по измерению отклонения светового луча в гравитационном поле Солнца, выполненные в 1919 г. ЭДДИНГТОНОМ, доказали существование гравитационной массы и у ЭМП. Эти труды ученых окончательно подтвердили выводы о материальности электромагнитного поля. Таким образом, труд большого числа ученых на протяжении периода в два столетия на основе уравнений Максвелла создал стройную систему знаний, являющихся фундаментом знаний классической электродинамики.

Однако последующие исследования материи в конце ХХ столетия привели к совершенно иному представлению и пониманию свойств ЭМП как дискретной структуры, состоящей из фотонов. Это открытие к настоящему времени создало собственное направление в системе знаний, которые составляют фундамент квантовой электродинамики.

Таким образом, воспользовавшись описанием свойств обоих направлений, электромагнитное поле есть особый вид материи, отличающийся непрерывным распределением в пространстве и обнаруживающий дискретность структуры (фотоны), характеризующийся способностью распространяться в вакууме (при отсутствии сильных гравитационных полей) со скоростью, близкой к скорости света (3 10¹⁰ см / с), оказывающий на заряженные частицы силовое воздействие, зависимое от их скорости.

ЭМП имеет способность распространяться не только в вакууме, но и в материальных средах. Эту способность широко используют.

Первое практическое использование ЭМП - это первая радиолиния, созданная А.С. ПОПОВЫМ. Она открыла настолько грандиозные перспективы радиосвязи, что ее значимые границы применимости можно осознать только в наши годы, в годы, когда реально находятся на вооружении в жизни человека

многие виды радиосвязи, такие как: телеграфная, телефонная, сотовая, мобильная, телевизионная и прочие, причем, существуют специальные виды радиосвязи: надводных кораблей, подводных лодок и космических объектов и другие. А.С. ПОПОВ открыл явление отражения ЭМП от металлических поверхностей, что послужило основой радиолокации и созданию вторичных радиолиний. Учитывая значимость вклада ученого в мировую науку, в России установлен ДЕНЬ РАДИО с ежегодным празднованием 7 мая и учреждена ЗОЛОТАЯ МЕДАЛЬ имени А.С. ПОПОВА, присуждаемая за выдающиеся научные работы и крупные разработки в области радио. Медалью награждены советские ученые: ВВЕДЕНСКИЙ, ВОЛОГДИН, МИНЦ, БЕРГ, ЛЕОНТОВИЧ, ПИСТОЛЬКОРС.

Первую мощную радиостанцию, созданную Нижегородской лабораторией под руководством М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА, слушал весь мир уже в 20-е годы ХХ столетия.

Учитывая значение радиосвязи, получают интенсивное развитие как техническое, так и научное направления. Активно работают в направлениях разработки электродинамических задач теории и практики выдающиеся советские ученые: М.В. ШУЛЕЙКИН, А.А. ПИСТОЛЬКОРС, В.В. ТАТАРИНОВ, Г.З. АЙЗЕНБЕРГ, М.С. НЕЙМАН, С.И. НАДЕНЕНКО. Вопросам распространения радиоволн посвящаются работы блистательных советских ученых: Б.А.ВВЕДЕНСКОГО, В.А. ФОКА, Л.И. МЕНДЕЛЬШТАММА, Н.Д. ПАПАЛЕКСИ, А.Н. ЩУКИНА.

В настоящий период времени отличается высокой насыщенностью радиоэлектронными средствами, использующими ЭМП, которые характеризуются высокими техническими параметрами и разнообразием функциональных свойств. Качественные показатели сформированы исходя из основополагающих требований к радиоэлектронным системам, учитывая, что системы инфотелекоммуникационные стали глобальными. Поэтому возросли роль и требования к радиосвязи по параметрам быстродействия, качества, индивидуальности и прочее.

Для удовлетворения неизменно возрастающих потребностей необходимо участие научных кадров в разработке:

- методологических подходов к освоению новых диапазонов радиочастотного спектра;

- теории и технических средств построения мощных генераторов и помехозащищенных приемных устройств высокой чувствительности;

- научного направления электродинамической задачи по миниатюризации излучающих устройств.

Для слушателей, начинающих изучение фундаментального раздела основы электродинамики дисциплины «Электромагнитные поля и волны», общей задачей является стать квалифицированным специалистом инфотелекоммуникационной специальности.

Определяющими задачами являются изучение основных законов и методов электродинамики, теории излучения и радиоприема, теории распространения радиоволн в различных средах, направляющих системах, дифракции и рефракции волн.

В период проведения лекции слушатель должен ознакомиться:

• с современными и перспективными направлениями развития;

• с принципами построения и особенностями передачи сигналов;

• с принципами работы, техническими характеристиками и конструктивными особенностями разрабатываемых и используемых средств, а также с методами их технической эксплуатации;

• с методами оценки параметров устройств и систем, методами контроля и диагностики на основании требований по стандартизации, методами метрологического обеспечения и жизнеобеспечения;

• с теоретическими и экспериментальными методами исследования и поиска путей повышения качественных параметров.

По окончании изучения первого раздела дисциплины «Электромагнитные поля и волны» слушатель должен достигнуть следующих уровней подготовки.

1. ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

• о современных и перспективных направлениях развития теории электромагнитного поля и волн;

• об особенностях распространения радиоволн в различных средах, на границе раздела сред, в направляющих системах;

• о методах защиты радиоприема от помех;

• о сущности проблемы электромагнитной совместимости;

• о методах защиты приемных устройств от воздействия помех.

2. ЗНАТЬ:

• основные уравнения электромагнитного поля и волн, методы их использования при расчетах простейших структур для излучения электромагнитных волн (ЭМВ), свойства и методы построения основных типов волноводов и резонаторов;

• фундаментальные основы теории ЭМП и основные закономерности и особенности распространения ЭМВ различных диапазонов в различных средах и направляющих системах, дифракцию и рефракцию ЭМВ;

• принцип построения направляющих систем, их работу, основные параметры и конструктивные особенности;

• особенности распространения волн различных диапазонов и методику выбора рабочих частот.

3. УМЕТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ:

• методику расчета трактов распространения радиоволн в радиолиниях для определения требуемых энергетических параметров;

• методику оценки помеховой обстановки и уточнения параметров радиотракта для обеспечения заданной дальности и достоверности радиосвязи с подвижными объектами;

• данные ионосферно-волновой службы для определения рабочих частот, планируемых к использованию на заданных радиотрассах;

• параметры излучателей для радиотракта в заданном радиоспектре;

• параметры направляющих систем для обеспечения наиболее эффективного режима работы в заданном радиоспектре.

Раздел первый «Основы электродинамики» базируется в основном на дисциплинах «Математика», «Физика» и «Теория электрических цепей», важнейшими разделами которых являются: теория векторного анализа, дифференциальное и интегральное исчисления, функции комплексного переменного, дифференциальные уравнения, теория поля, законы математической физики, колебательные цепи, законы электрических цепей.

Предметом изучения является ЭМП на основе установления закономерностей взаимосвязи электрического тока и ЭМП, взаимосвязи между составляющими, распространения в средах, на границе раздела сред и в направляющих системах. Роль и место дисциплины в системе подготовки специалиста несложно уяснить, рассмотрев два небольших примера. Первый пример описывает суть будущей специальности, которую выпускник исполняет по своей первичной должности. Ниже рассмотрена структурная схема радиолинии, приведенная на рисунке 1. радиолиния содержит в себе все то, что находится между двумя корреспондентами, допустим А и В, желающими обменяться информацией. Радиолиния, на основании рисунка 1, содержит следующие элементы: передатчик, передающий фидер, излучатель, радиотракт, приемную антенну, приемный фидер и приемник.

Радиотракт

Излучатель

^{Приемная антенна}

Передатчик Приемник

А В

Инфор Фидер Фидер Инфор

Рис. 1

Предметом изучения дисциплины являются вопросы электродинамики ЭМП и ЭМВ при распространении их в радиотракте, которым может быть среда (например, воздух), излучатель, приемная антенна и фидер. ФИДЕР (английский перевод) – есть линия передачи. Исходя из важности изучаемых дисциплиной элементов радиолинии обосновывается ее роль и место в системе подготовки специалиста.

«Электродинамика» формирует фундаментальные знания для восприятия разделов, посвященных изучению средств и комплексов радиосвязи, антенн и антенных комплексов, а также формированию потенциальных знаний для самостоятельной работы с научно-технической литературой, понимания новых разработок в науке и технике и для развития собственных творческих способностей.

Теперь, когда доказана необходимость изучения предмета и показана научная и практическая ценность изучаемых вопросов для специалиста радиосвязи, остается порекомендовать слушателям проявлять настойчивость и трудолюбие на занятиях и в период самостоятельной работы. Очень важна самостоятельная и обязательно ежедневная работа над текстом лекций. Сложность для осознания предмета и значительный объем подлежащего изучению материала создают затруднения для тех, кто попытается наскоком, в короткий срок, освоить дисциплину.