Электродинамика и распространение радиоволн

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Толмачев А.И.
В результате изучения курса студент должен
знать:

систему уравнений Максвелла и их связь с основными законами физики;

основные типы передающих антенн и их характеристики;

методы расчета электромагнитного поля в свободном пространстве и
волноводах;
уметь:

решать волновое уравнение в простейших частных случаях;

рассчитывать электрические параметры основных типов антенн;

решать задачи по основным законам электромагнетизма
иметь представление о:

основных методах решения системы уравнений Максвелла в вакууме;

плоских и сферических электромагнитных волнах;

влиянии поверхности и атмосферы Земли на распространение радиоволн;
Основными видами занятий являются лекции и практические занятия.
Основными видами промежуточного контроля знаний являются:тестирования
Основным видом рубежного контроля знаний является зачет.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Тема 1. Электромагнитное поле в вакууме
Джеймс Максвелл и его уравнения (1873 г.). Физические законы, лежащие в основе
уравнений Максвелла. Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов –
закон Кулона (1784 г.). Индукция магнитного поля, создаваемого элементарным током
– закон Био-Савара (1820 г.). Закон электромагнитной индукции Фарадея (1831 г.).
Вектор напряженности электрического поля (ЭП). Вектор индукции магнитного поля
(МП). Электрическая постоянная, магнитная постоянная, их связь со скоростью света.
Математический аппарат электродинамики. Векторы в пространстве. Сложение
векторов. Скалярное и векторное произведения векторов. Поток вектора через
замкнутую поверхность. Циркуляция вектора по замкнутому контуру. Дивергенция
вектора. Ротор вектора. Градиент скалярной величины. Оператор Лапласа. Выражения
для оператора Лапласа в декартовых и сферических координатах. Теорема Гаусса.
Теорема Стокса.
Вид уравнений Максвелла в стационарном случае. Электростатика. Потенциал ЭП.
Уравнение Пуассона для потенциала ЭП. Оператор Лапласа. Решение уравнения
Пуассона в случае плоского диода с учетом объемного заряда. Закон «трех вторых».
Вид уравнений Максвелла в свободном пространстве. Волновое уравнение для
векторов поля. Плоские и сферические электромагнитные волны. Свойства
электромагнитных волн. Связь между напряженностью ЭП и индукцией МП в
поперечной электромагнитной волне. Поток вектора электромагнитной энергии (вектор
Умова-Пойнтинга). Характеристическое сопротивление вакуума.
Тема 2. Основы теории излучения
Излучение электромагнитных волн. Передающие антенны. Особенности расчета поля в
дальней зоне антенны. «Запаздывающее» электромагнитное поле. Основные
характеристики передающих антенн: диаграмма направленности, коэффициент
направленного действия, мощность излучения, сопротивление излучения, рабочая
полоса частот. Точное решение задач об излучении простейших антенн:
элементарный диполь, малая рамка с током, линейный излучатель конечных размеров,
линейная антенная решетка, параболическая зеркальная антенна. Расчет ширины
главного максимума на диаграмме направленности. Связь напряженности
электрического поля в дальней зоне с мощностью и коэффициентом направленного
действия антенны.
Недостатки обычных передающих линий и колебательных контуров на повышенных
частотах. Направляющие системы и направляемые волны. Поперечные
электромагнитные волны в прямоугольном и круглом волноводах. Граничные условия
на поверхности волновода. Критическая длина волны. Скорость распространения
электромагнитной волны в волноводе.
Тема 3. Влияние поверхности земли на прохождение радиоволн
Физические свойства атмосферы Земли: газовый состав, изменение температуры и
давления с высотой в нижней части атмосферы. Электрические свойства тропосферы,
стратосферы и ионосферы. Распространение радиоволн в земной атмосфере.
Отражение и преломление радиоволн. Зависимость коэффициента преломления
радиоволны в тропосфере от высоты. Поглощение радиоволн в атмосфере Земли.
Ионизация газа на больших высотах и ее влияние на прохождение радиосигнала.
Особенности распространения длинных, средних и коротких волн. Распространение
ультракоротких волн в пределах прямой видимости, в пересеченной местности, в
городах, на большие расстояния. Дальность устойчивой радиосвязи – зависимость от
высоты передающей и приемной антенн, а также от радиуса Земли. Характеристики
протяженности радиотрасс. Распространение радиоволн на линиях космической связи.
Энергетические соотношения в космических радиолиниях. Минимальная необходимая
мощность передатчиков для космической радиосвязи.
Влияние Земли на характеристики антенн, расположенных вблизи ее поверхности.
Интерференция радиоволн. Разность хода прямого и отраженного радиолучей в
приближении плоской Земли. Интерференционный множитель, учитывающий
сферичность Земли. Поле низко расположенного излучателя в приближении плоской
Земли. Поле в зонах полутени и тени при высоко поднятых и низко расположенных
излучателях.
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Мултановский В. В., Василевский А. С.
Классическая электродинамика.
Учебное пособие для вузов. – 2-е издание, переработанное. – Москва, изд-во «Дрофа»,
2006. 348 с.
2. Петров Б. М. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебник для вузов.
– 2-е издание, исправленное. – Москва, Горячая линия – Телеком, 2007. 558 с.
Дополнительная:
1. Тамм И. Е. Основы теории электричества. Учебное пособие для вузов. – 11-е
издание, исправленное и дополненное. – Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2003. 616 c.
2. Калашников С. Г. Электричество. Учебное пособие. 6-е издание, стереотипное.
Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2004. 624 с.
3. Савельев И. В. Курс общей физики. Учебное пособие для втузов в 5-и книгах.
Книга 2 – Электричество и магнетизм. – М., изд-во «Астрель», 2006. 336 с.
4. Савельев И. В. Курс общей физики. Учебное пособие для втузов в 5-и книгах.
Книга 4 – Волны. Оптика. – М., изд-во «Астрель», 2006. 256 с.
5. Ерохин Е. А., Чернов О. В., Козырев Н. Д., Кочержевский В. Д. Антеннофидерные устройства и распространение радиоволн. Учебник для вузов. –3-е
издание – М., изд-во «Горячая линия – Телеком», 2007. 491 с.