Глава 1. Основные законы электромагнитного поля

Условные обозначения

КВЧ–крайне высокие частоты

РРВ–распространение радиоволн

СВЧ–сверхвысокие частоты

УКВ–ультракороткие волны

ТРВ–тропосферный волновод

ЭД–электродинамика

ЭМП–электромагнитное поле

ЭМВ–электромагнитные волны

ЭЭВ–элементарный электрический вибратор

 

Предисловие

 

Данное учебное пособие посвящено краткому рассмотрению основных законов и положений классической макроскопической электродинамики (ЭД) и закономерностей распространения радиоволн (РРВ). Указанные направления науки весьма обширны, постоянно развиваются, но скромный объём пособия, определенный программой изучения дисциплины ЭДРРВ не позволил в полной мере раскрыть ряд тем. В основу учебного пособия положен «адаптированный» материал лекций, которые автор на протяжении ряда лет читал в ЧВВМУ им. П. С. Нахимова.

 

 

ЧАСТЬ 1.КРАТКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Глава 1.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Уравнения электромагнитного поля (уравнения Максвелла) – это основные законы электромагнетизма, полностью описывающие все электромагнитные явления в макромире: процессы излучения и приема, распространения радиоволн как в свободном пространстве, так и в замкнутых системах.

Эти уравнения обобщают экспериментально установленные закономерности и теоретически не выводятся. Они связывают между собой векторы электромагнитного поля (ЭМП) и источники поля (токи и заряды). Электромагнитные поля распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн (ЭМВ). Роль уравнений Максвелла в электродинамике и технике сверхвысоких частот (СВЧ) так же велика, как роль уравнений Ньютона в классической механике.

Поскольку нашим объектом изучения будет являться ЭМП, которое отличается от привычных нам материальных сред, то полезно вкратце проследить за тем, как менялись взгляды человечества на эту форму материи.

К середине ХУШ в. человечеству уже были известны электрические и магнитные явления, наблюдаемые в природе. В 1785–1788 гг. французский военный инженер Кулон опубликовал работы об электрических и магнитных взаимодействиях. В 1789 г. итальянский врач Гальвани открыл электрический ток, а в 1800г. итальянский физик Вольта построил первый источник электрического тока. В 1820 г. датчанин Эрстед установил, что электрический ток порождает магнетизм. Очень важно было доказать обратное. Энергично взялся за изучение нового явления французский ученый Ампер. Он открыл и сформулировал закон взаимодействия токов. Это способствовало гениальному открытию закона электромагнитной индукции, сделанному в 1831г. английским физиком Майклом Фарадеем. Поразительная интуиция позволила ученому вскоре после открытия явления электромагнитной индукции перейти к идее электромагнитных волн. Тем самым М. Фарадей связал токи и заряды с электромагнитным возмущением в окружающем их пространстве. Основная работа по созданию макроскопической цельной теории электромагнитного поля была выполнена Д. Максвеллом. Именно он записал и сформулировал уравнения электромагнитного поля, известные во всем мире как уравнения Максвелла.

Дальнейшее развитие и упрочение теории Максвелла обязано работам русских ученых Н. Умова, П. Лебедева и немецкого физика Г. Герца.

Работы Фарадея, Максвелла и Герца послужили теоретическим и практическим фундаментом для одного из величайших изобретений в истории человечества – изобретения радио нашим соотечественником А. С. Поповым. 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге Александр Степанович продемонстрировал работу первого в мире радиоприемника (когерера). Путь, ведущий к изобретению радио, является блестящей иллюстрацией к философской формуле познания мира: от живого созерцания (наблюдения атмосферного электричества, притяжения магнитом железных предметов) к абстрактному мышлению (вершиной здесь можно считать создание Максвеллом фундаментальной теории в области макроскопических электромагнитных явлений) и от него к диалектическому познанию истины, т.е. к практике (изобретение радио А. С. Поповым).

Законы электродинамики являются базой для построения антенно-волноводных (фидерных) устройств современных радиоэлектронных средств и теоретической основой законов и положений процесса распространения радиоволн в различных условиях.