Раздел 1. Предмет, цели и задачи изучения теории электромагнитные поля и волны

Тема 1. Предмет, цели и задачи изучения теории электромагнитные поля и волны

Вопрос 1. Историческая справка.

Практическое использование свойств электромагнитных колебаний началось с 1895 года, когда Попов А.С. обнародовал результаты своих исследований в области радио.

Все последующие годы шло довольно интенсивное изучение и практическое применение этого открытия в различных отраслях науки и техники. В последнее десятилетие, как известно, взамен кабельных линий связи стали применять волоконно-оптические линии.

Основным объектом изучения электродинамики является электромагнитное поле. Электромагнитное поле представляет собой особый вид материи. Главнейшие этапы развития теории и практики электродинамики следующие.

В 1753 и в 1756 годах Ломоносов высказал мысль о динамической природе электричества, о связи между электрическими и световыми явлениями. В 1820 году Ампер исследовал влияние тока на ток, в 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В 1873 году Максвелл опубликовал “Трактат об электричестве и магнетизме”, где математически изложил основные законы электромагнитного поля. В 1888 году Герц дал метод решения уравнений Максвелла и экспериментально доказал возможность существования электромагнитных волн в пространстве.

В 1895 году Попов осуществил первую в мире радиосвязь с помощью электромагнитных волн. В 1899 году Лебедев экспериментально доказал давление света, то есть электромагнитных волн, на тела. Энштейн в 1916 году высказал мысль об искривлении светового луча в поле тяготения, а Эддингтон в 1919 году измерил отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца. В 1960 году Паунд взвесил световой луч.

Электромагнитное поле является носителем энергии, способной преобразовываться в другие виды энергии, что широко используется в настоящее время.

Вопрос 2. Электромагнитное поле, общие понятия.

Под электромагнитным полем (ЭМП) понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимно связанных и взаимно обусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Важнейшей отличительной особенностью внешнего ЭМП является его способность оказывать силовое воздействие на заряженную частицу, которое зависит от величины электрического заряда частицы и скорости ее движения. В телекоммуникации используются переменные во времени поля. В таких полях электрическая часть неотделима от магнитной и наоборот. Однако теория ЭМП использует исторически накопленный опыт изучения электрических и магнитных явлений в природе, начиная с постоянных во времени (стационарных) процессов.

Постоянные электрическое и магнитное поля могут существовать раздельно, независимо друг от друга, но они не могут быть использованы для передачи информации. В современной теории переменного ЭМП – электродинамике продолжается использование понятий электрического и магнитного полей, как двух форм проявления единого ЭМП.

Всю совокупность электромагнитных явлений приня­то разделять на две группы. К первой группе относятся электрические, а ко второй — магнитные явления. В со­ответствии с этим обычно выделяют две частные разно­видности электромагнитного поля, носящие название электрического и магнитного полей.

Электрическое поле характеризуется силовым взаи­модействием как с неподвижными, так и с движущими­ся зарядами, причем в результате этого взаимодействия изменяется кинетическая энергия движущейся заряжен­ной частицы вещества. В вакууме электрическое поле может быть однозначно представлено с помощью вектор­ного поля его напряженности Е по формуле

,

где F — вектор силы, действующей на пробный заряд q.

Если ограничиться только исследованием процессов в вакууме, то задание напряженности электрического поля в каждой точке пространства является достаточ­ным. Однако, как будет показано далее, для правильно­го описания электрического поля в материальных сре­дах, например в диэлектриках, требуется ввести в рас­смотрение второе векторное поле D, названное полем электрического смещения (или электрической индукции). Вектор D в вакууме связан с вектором Е соотношением

,

где - размерная постоянная, найденная экспериментально и названная электрической постоянной вакуума.

Магнитное поле характеризуется силовым взаимо­действием лишь с движущимися зарядами, причем кине­тическая энергия заряженных тел остается при этом постоянной. Как и при электрическом взаимодействии, магнитное поле в вакууме может быть описано с по­мощью единственного векторного поля. Таким полем является поле магнитной индукции В. Принцип его определения основан на том, что точечный заряд q, движущийся в электромагнитном поле со скоростью v, испытывает действие силы, называемой силой Лоренца:

.

Первый член суммы в правой части (1.3) является уже известной силой, обусловленной электрическим по­лем, в то время как второй член характеризует состав­ляющую силы, вызванную наличием магнитного поля. Магнитная часть силы Лоренца действует всегда пер­пендикулярно к траектории частицы и поэтому действи­тельно не может изменить ее кинетической энергии. Другими словами, магнитное поле может использовать­ся не для ускорения (торможения) заряженных частиц, а лишь для изменения конфигурации их траекторий, например, для фокусировки электронных пучков.

В природе существует довольно обширный класс веществ, помещение которых в магнитное поле приво­дит к существенному изменению последнего. Такие ве­щества называются магнетиками. Для описания явлений, происходящих в магнетиках, задание одного векторного поля В оказывается недостаточным. Поэтому в рассмот­рение вводится второе векторное поле Н, называемое напряженностью магнитного поля. В ва­кууме векторы В и Н связаны между собой соотноше­нием

,

где размерная постоянная, называемая магнитной по­стоянной вакуума.

Считают, что поле определено, если в каждой точке пространства в любой момент времени известны величины и направления четырех векторов E, D, B и H. Так как вектор определяется своими компонентами, то каждый из векторов (например, вектор E (x,y,z)) представляет собой три математические пространственно-временные функции от x,y,z и t. В формальном (математическом) подходе к понятию «поле», его можно рассматривать как физическую величину (силу), которая в разных точках пространства принимает различные значения.

Теория ЭМП сложилась в результате накопления и обобщения экспериментальных фактов, а также развития математического аппарата, который опирается на векторный анализ. В основных уравнениях ЭМП векторы E, D, B ,H связаны с помощью операторов «дивергенция» и «ротор» с другими величинами р и J .

Электрический заряд в каждой точке пространства характеризуется объёмной плотностью

, Кл/м² (1.1)

где q – суммарный заряд в объеме.

Упорядоченное движение зарядов через каждую точку поля характеризуется вектором плотности электрического тока проводимости А/м². Суммарный электрический ток, протекающий через некоторую поверхность S является скалярной величиной и связан с J_np интегральным соотношением

, (1.2)

где dS - представляет вектор элементарной площадки. Интеграл вида (1.2) называют потоком вектора J через поверхность S. Следовательно, электрический ток можно рассматривать как поток плотности тока через заданную поверхность.