'2 Техническая электродинамика. — М.: Издательство МЭИ, 1994.—288 с.: ил.
ISBN 5-7046-0036-0
Излагаются основы технического применения электродинамики Рассмотрены уравнения Максвелла, плоские волны, задачи излучения, волноводы быстрых и медленных волн, электромагнитные резонаторы. Основное внимание уделено физической сути явлений и практическому использованию теории электродинамики в инженерных задачах радиоэлектроники и электротехники при самостоятельной работе студентов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по радиотехническим, электрофизическим и электротехническим специальностям.
ПРЕДИСЛОВИЕ
»
Электродинамика относится к_ базовым дисциплинам радиотехнических специальностей вузов, а также составляет часть курса «Теоретические основы электротехники». Для инженеров-радиотехников электродинамика является основой таких инженерных наук, как распространение радиоволн, техника СВЧ, антенные устройства, радиолокация. Название книги «Техническая электродинамика» отображает ее прикладной характер.
Особенность учебного пособия заключается в направленности на самостоятельную работу студента. Поэтому учебный материал содержит большое количество расчетных примеров и делится на установочный (в названиях разделов имеется буква У) и предназначенный для самостоятельной проработки (в названиях разделов имеется буква С). Кроме того, приводятся контрольные вопросы по материалу каждой главы и задачи для самостоятельного решения. Для расширения кругозора студентов имеются дополнения к основному материалу. При самостоятельной учебной работе необходимо письменно выполнять все примеры разделов «Практическое применение теории», отвечать на контрольные вопросы и решать задачи.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время известны четыре взаимодействия между объектами природы: гравитационное, электромагнитное и два ядерных: сильное и слабое. Гравитационные силы управляют движением больших масс вещества, а ядерные взаимодействия устанавливают законы в физике микромира. Электромагнитные взаимодействия определяют свойства электромагнитных полей и электрических зарядов в окружающем нас мире, осуществляют все превращения веществ в химических н биологических процессах, участвуют наряду с ядерными силами в ядерных реакциях. Таким образом, элек-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................ 3
Введение................. 3
1. Основные понятия электродинамики........ 6
1.1. Физические основы электродинамики (У)...... 6
1.2. Электрическое поле (С)........... 9
1.3,. Магнитное поле (С)............ И
1.4. Электрические токи. Ток переноса и ток смещения (С) . . 12
1.5. Обмен энергией между электромагнитным полем и движущимися зарядами (У)............. '3
1.6. Электрические и магнитные характеристики сред (С) . . . 16
1.7. Практическое приложение теории главы 1 (С)..... 17
Контрольные вопросы ............ 20
Упражнения............... 21
Дополнение. Неоднородные, анизотропные и нелинейные среды (С) ................ 22
2. Уравнения электродинамики в интегральной форме .... 24
2.1. Общие положения (У)............ 24
2.2. Интегральные теоремы электродинамики (У)..... 25
2.3. Практические приложения теории главы 2 (С)..... 28
7.4. О применимости уравнений электродинамики в интегральной
форме (С)............... 39
Контрольные вопросы ............ 40
Упражнения............... 40
3. Дифференциальные уравнения электродинамики. Граничные условия ................. 41
3.1. Общие положения (У)............ 41
3.2 Уравнения Максвелла (дифференциальные уравнения электродинамики) (У).............. 41
3.3. Свойства уравнений Максвелла (С)........ 45
3.4. Уравнения Максвелла в комплексных амплитудах (У) . 46
3.5. Общие сведения о граничных условиях (У)...... 51
3.6. Граничные условия для векторов электрического поля (У) . . 52
3.7. Граничные условия для векторов магнитного поля (У) . 55
3.8. Практическое применение уравнений Максвелла. Простейшие примеры (С).............. 57
3.9. Практическое применение граничных условий в решениях уравнений Максвелла (С)............ 61
Контрольные вопросы ............ 63
Упражнения............... 64
Дополнение. Комплексная магнитная проницаемость. Перестановочная двойственность уравнений Максвелла..... 65
285
4. Законы сохранения в электродинамике....... 56
4.1. Общие положения (У)............ 66
4.2. Баланс энергии для мгновенных значений поля. Вектор Пойн-тинга (У)............... 06
4.3. Баланс энергии для комплексных амплитуд поля (С) . . . 69
4.4. Уравнения Максвелла с источниками электромагнитной энергии. Сторонние токи и поля (У).......... 70
45. Баланс энергии со сторонними токами и полями (С) ... 72
4.6. Скорость распространения электромагнитной энергии (С) . . 73
4.7. Уравнение непрерывности тока. Закон сохранения заряда (У) 74
4.8. Практическое применение теории главы 4 (С)..... 75
Контрольные вопросы............ 78
Упражнения............... 79
Дополнение. Уравнения Максвелла и теорема Пойнтинга со сторонними конвекционными токами......... 79
5. Волновые уравнения и электромагнитные волны..... 81
5.1. Общие положения (У)............ 81
5.2. Волновые уравнения для произвольно изменяющихся во времени полей (У).............. 82
5.3. Волновые уравнения в комплексных амплитудах (С) . {-3
5.4. Волновые уравнения со сторонними токами и полями. Потенциалы электромагнитного поля (У)........ 84
5.5. Общие понятия об электромагнитных волнах (С) ... 88
5.6. Волны в сферической системе координат (У)..... 90
5.7. Волны в цилиндрической системе координат (У) ... 94
5.8. Волны в декартовой системе координат (У)..... 96
5.9. Характеристики электромагнитных волн (С)...... 100
5.10. Практическое приложение теории главы 5 (С) ... 104
Контрольные вопросы............ 110
Упражнения............... 111
Дополнение. Волновые уравнения • неоднородных средах. Цилиндрические волны в пространстве. Эффект Допплера . . 111
6. Плоские электромагнитные волны......... ИЗ
6.1. Физическая модель плоской волны (У)....... ИЗ
6.2. Характеристики плоской волны (У)........ 115
6.3. Плоские волны в идеальных диэлектрических средах (С) . . 119
6.4. Плоские волны в реальных средах (С)....... 122
6.5. Глубина проникновения поля в металл. Практическое понятие поверхностного тока (С)........... 126
6.6. Поляризация плоских волн (С)......... 127
6.7. Практическое применение теории главы 6 (С)..... 129
Контрольные вопросы ............ 135
Упражнения............... '36
Дополнение. Плоские волны в анизотропных средах . . • 137
7. Отражение и преломление плоских волн на границе двух сред. Мощность потерь электромагнитной энергии...... '*'
7.1. Постановка задачи (У)........... '*'
7.2. Падение плоской волны на поверхность идеального проводника (С) ................ 144
288
7.3. Падение плоской волны на поверхность металла (С) . . . 145
7.4. Мощность потерь электромагнитной волны, падающей на поверхность металла (У)............ 147
7.5. Падение плоской волны на границу двух ^диэлектриков (С) . 148
7.6. Электромагнитные волны вблизи ограниченных поверхностей раздела. Электрические цепи низких (НЧ), высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот (У)......... 150
7.7. Практическое приложение теории главы 7 (С) .... 154
Контрольные вопросы............ Ь'б
Упражнения............... 156
Дополнение. Поверхностные волны. Рефракция и дифракция
волн................. 157
8. Излучение электромагнитных волн......... 161
8.1. Основные положения (У)........... 161
8.2. Неоднородное уравнение Гельмгольца для электрического векторного потенциала в сферической системе координат (У) . 162
8.3. Элементарный электрический излучатель (диполь Герца) (У) 163
8.4. Элементарный магнитный излучатель. Реальные излучатели (С) 168 8.5 Вторичные (фиктивные) источники излучения. Элемент Гюйгенса (С)............... 170
8.6. Принцип взаимности (У)........... 171
8.7. Практическое применение теории главы 8 (С)..... 173
Контрольные вопросы ............ 178
Упражнения............... 178
Дополнение. Возбуждение волн конвекционным током. Излучение в магнитном поле. Электронная антенна. Излучение Вавилова—Черепкова.............. 179
9. Направляемые волны............ 182
9.1. Общие положения (У)............ 182
9.2. Волны между проводящими плоскостями (С)..... 18(Т
9.3. Полосковая двухпроводная и коаксиальная линии (С) . . 186
9.4. Общие понятия о трубчатых металлических волноводах (У) . 188
9.5. Виды волн в направляющих системах (У)...... 190
9.6. Энергетические соотношения в направляющих системах (С) . 192
9.7. Практическое применение теории главы 9 (С)..... 194
Контрольные вопросы ............ 195
Упражнения............... 196
Дополнение. Цилиндрические металлические волноводы . . . 196
10. Металлические прямоугольные волноводы...... 197
10.1. Общие положения (У)........... 197
10.2. Волны магнитного типа (волны типа Н) (У)..... 198
10.3. Волны электрического типа (волны типа Е) (У) .... 202
10.4. Условия распространения волн. Критическая частота. Основная волна (У) ............. 203
10.5. Фазовая скорость и длина волны. Дисперсия и групповая скорость (С)............... 207
10.6. Поток мощности и коэффициент ослабления поля. Волновое сопротивление (С)............. 209
10.7. Практическое применение теории главы 10 (С) .... 212
287
Контрольные вопросы ............ 216
Упражнения.............. 217
Дополнение. Возбуждение волн в волноводах. Соединение волноводов. Открытый волновод как антенна. П- и Н-образные
волноводы............... 219
11. Электромагнитные резонаторы.......... 223
11.1. Понйтие об электромагнитных резонаторах (У) ... 223
11.2. Резонансная частота. Типы колебаний (У)..... 225
113. Добротность резонаторов (У)......... 227
11.4. Прямоугольный металлический резонатор (С)..... 229
11.5. Цилиндрический, тороидальный и коаксиальный металлические резонаторы (С)............ 232
11.6. Открытые резонаторы (С).......... 235
11.7. Практическое приложение теории главы И (С) . . . . 238
Контрольные вопросы ............ 245
Упражнения.............. 246
Дополнение. Возбуждение и настройка резонаторов . . . 246
12. Волноводы медленных волн.......... 249
12.1. Основные свойства волноводов медленных волн (У) ... 249
12.2. Двухплоскостной волновод с диэлектрической пластиной (У) 253
12.3. Гребенчатый металлический волновод (С)...... 259
12.4. Практическое приложение теории главы 12 (С) .... 261
Контрольные вопросы............ 266
Упражнения.............. 267
Дополнение. Волоконно-оптические системы..... 268
13. Вычислительная техника и применение ЭВМ в электродинамике 268
13.1. Общие положения (С)........... 268
13.2. Приближенные вычисления. Задачи электродинамики, решаемые численными методами (С)......... 269
13.3. Построение картин поля, решение дифференциальных уравнений и определение постоянных распространения (С) . . . 271
13.4 Сложные электродинамические устройства. Задачи дифракции
и возбуждения полей (С).......... 274
Приложения
П.1. Векторы и координатные системы. Характеристики скалярного
и векторного полей ............ 277
П.2. Теорема Стокса. Ротор векторного поля...... 279
П.З. Теорема Остроградского—Гаусса. Дивергенция векторного
поля ................ 28Т
П.4 Векторные операции второго порядка....... 282
П.5. Волновые уравнения............ 282
П.6. Некоторые математические формулы....... 284
Литература.............. . 284
Цена: 150руб.
