Электродинамика и распространение радиоволн

Предисловие 3

Введение 5

ЧАСТЬ 1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

1. Общие сведения о макроскопической электродинамике

1.1. Векторы электромагнитного поля 11

1.1.1. Определение электромагнитного поля 11

1.1.2. Векторы электрического поля 11

1.1.3. Векторы магнитного поля 13

1.2. Закон Ома в дифференциальной форме. Полный ток 14

1.3. Классификация сред, материальные уравнения 17

1.4. Уравнения Максвелла 21

1.4.1. Уравнения Максвелла в дифференциальной

и интегральной форме 21

1.4.2. Первое уравнение Максвелла: полный ток

и магнитное поле 23

1.4.3. Второе уравнение Максвелла: обобщенный закон

электромагнитной индукции 25

1.4.4. Третье уравнение Максвелла: электрическое поле

и заряды 26

1.4.5. Четвертое уравнение Максвелла: непрерывность

линий вектора 26

1.4.6. Заключительные замечания об уравнениях Максвелла 27

1.5. Граничные условия для электромагнитного поля 27

1.5.1. Постановка задачи 27

1.5.2. Нормальные и тангенциальные составляющие векторов 28

1.5.3. Граничные условия для нормальных составляющих

электрического поля 29

1.5.4. Граничные условия для нормальных составляющих

магнитного поля 31

1.5.5. Граничные условия для тангенциальных

составляющих магнитного поля 31

1.5.6. Граничные условия для тангенциальных

составляющих электрического поля 33

1.6. Энергия электромагнитного поля 34

1.6.1. Закон Джоуля – Ленца и превращение энергии 34

1.6.2. Баланс энергии электромагнитного поля 36

1.6.3. Энергия электромагнитного поля 40

1.6.4. Локальный баланс и движение энергии 41

1.6.5. Заключительные замечания 42

1.7. Классификация электромагнитных явлений 43

Контрольные вопросы 44

2. Электростатика

2.1. Уравнения Максвелла для электростатического поля 45

2.2. Электростатический потенциал 45

2.3. Граничные условия в электростатике 48

2.4. Определение потенциала по заданному распределению

заряда. Принцип суперпозиции 49

2.5. Уравнения для электростатического потенциала 51

2.6. Основная задача электростатики 55

2.7. Методы решения задач электростатики 59

2.8. Емкость. Конденсатор в электростатике 68

2.9. Энергия электростатического поля 71

Контрольные вопросы 72

3. Электромагнитное поле постоянных токов

3.1. Электрическое поле постоянного тока 73

3.2. Магнитное поле постоянного тока 76

3.3. Магнитное поле линейного тока 80

3.4. Примеры магнитных полей 82

3.4.1. Поле прямого провода (прямолинейного тока) 82

3.4.2. Круглый виток и соленоид 83

3.4.3. Магнитный диполь 85

3.5. Магнитная энергия постоянного тока 87

3.6. Индуктивность и взаимная индуктивность 88

Контрольные вопросы 92

4. Общие свойства переменного электромагнитного поля

4.1. Монохроматическое поле, метод комплексных амплитуд 93

4.2. Уравнения Максвелла в комплексной форме 94

4.3. Волновые уравнения 96

4.4. Средний баланс энергии электромагнитного поля 97

4.4.1. Среднее значение характеристик поля 97

4.4.2. Средний баланс энергии 100

4.5. Теорема единственности для монохроматического

электромагнитного поля 102

4.5.1. О единственности решений 102

4.5.2. Внутренняя задача 102

4.5.3. Внешняя задача 104

4.6. Теорема взаимности 105

4.6.1. Лемма Лоренца 105

4.6.2. Доказательство теоремы взаимности 106

4.6.3. Перестановочная двойственность уравнений

Максвелла. Магнитные токи 108

Контрольные вопросы 109

5. Плоские электромагнитные волны в изотропных

неограниченных средах

5.1. Волновой характер электромагнитного поля 111

5.2. Плоские волны в средах без потерь 111

5.3. Поляризация электромагнитных волн 117

5.4. Плоские электромагнитные волны в поглощающих средах 120

5.4.1. Затухание электромагнитных волн 120

5.4.2. Волновое число в поглощающих средах 122

5.4.3. Электромагнитные волны в диэлектрике 123

5.4.4.Электромагнитные волны в проводящих средах 124

5.4.5. Поверхностный эффект 124

Контрольные вопросы 126

6. Плоские электромагнитные волны в анизотропных средах

6.1. Анизотропные среды 127

6.2. Электромагнитные волны в кристаллах 130

6.2.1. Классификация кристаллов по их электромагнитным

свойствам 130

6.2.2. Электромагнитные волны в одноосных кристаллах 131

6.3. Электромагнитные волны в гиротропных средах 134

6.3.1. Общие свойства феррита 134

6.3.2. Феррит в постоянном магнитном поле 135

6.3.3. Намагниченный феррит в переменном магнитном поле 138

6.4. Плазма в электромагнитном поле 143

6.4.1. Общие свойства плазмы 143

6.4.2. Диэлектрическая проницаемость плазмы

в переменном электромагнитном поле 144

6.4.3. Тензор диэлектрической проницаемости

намагниченной плазмы 147

6.5. Продольное распространение плоских электромагнитных

волн в феррите 150

6.6. Поперечное распространение электромагнитных

волн в феррите 157

Контрольные вопросы 160

7. Отражение и преломление плоских электромагнитных волн

7.1. Общие положения 162

7.2. Нормальное падение плоской волны 163

7.3. Волна, распространяющаяся в произвольном направлении 168

7.4. Формулы Френеля для горизонтально поляризованных волн 170

7.5. Формулы Френеля для вертикально поляризованных волн 174

7.6. Полное отражение от границы двух диэлектриков 176

7.7. Наклонное падение на границу поглощающей среды 179

7.8. Приближенные граничные условия Леонтовича 181

7.9. Наклонное падение на границу с диэлектриком. Угол

Брюстера 183

Контрольные вопросы 185

8. Излучение электромагнитных волн

8.1. Уравнения Максвелла для области, содержащей

источники. Неоднородные волновые уравнения 186

8.2. Электродинамические потенциалы 187

8.3. Решение уравнений для электродинамических потенциалов 190

8.4. Элементарный электрический излучатель 193

8.5. Исследование поля электрического диполя 197

8.5.1. Поле в ближней зоне 197

8.5.2. Поле в дальней зоне 198

8.6. Элементарный магнитный излучатель 202

Контрольные вопросы 205

9. Направляемые электромагнитные волны и направляющие системы

9.1. Понятие о направляющей системе. Классификация

направляемых волн 207

9.2. Связь между продольными и поперечными

составляющими поля в однородной направляющей системе 208

9.3. Условия распространения электромагнитных волн

в направляющих системах. Критическая длина волны 212

9.4. Групповая скорость электромагнитных волн

в направляющих системах 214

9.5. Дисперсия направляемых электромагнитных волн 216

9.6. Общие свойства направляемых волн 217

9.6.1. Поперечные электромагнитные волны (Т-волны) 217

9.6.2. Электрические волны (Е-волны) 218

9.6.3. Магнитные волны (Н-волны) 219

9.7. Прямоугольный волновод 219

9.8. Коаксиальная линия 229

Контрольные вопросы 230

10. Объемные резонаторы

10.1. Общая теория электромагнитных резонаторов 232

10.1.1. Накопление энергии в объеме. Резонатор

и направляющая структура 232

10.1.2. Свойства полей резонаторов 236

10.1.3. Учет потерь. Добротность резонаторов 239

10.2. Полые резонаторы 240

10.2.1. Прямоугольный резонатор 240

10.2.2. Другие полые резонаторы 244

10.2.3. Твердотельные и планарные резонаторы 246

10.2.4. Оптические и квазиоптические резонаторы 248

Контрольные вопросы 250

ЧАСТЬ 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

11. Распространение радиоволн в свободном пространстве

11.1. Классификация радиоволн по диапазонам 253

11.2. Некоторые сведения из теории антенн 255

11.3. Область пространства, существенная

при распространении радиоволн 259

11.4. Классификация радиоволн по способу распространения 269

11.5. Понятие о функции ослабления 273

Контрольные вопросы 274

12. Распространение земных радиоволн при поднятых антеннах

12.1. Электрические параметры различных типов

земной поверхности 275

12.2. Расстояние прямой видимости 278

12.3. Распространение радиоволн при поднятых антеннах

и плоской Земле 280

12.3.1. Интерференционная формула 280

12.3.2. Диаграммы направленности поднятых антенн 285

12.3.3. Условия применимости отражательной трактовки 290

12.3.4. Квадратичная формула Введенского 291

12.4. Отражение радиоволн от неровной земной

поверхности. Критерий Рэлея 294

12.5. Учет сферичности Земли в интерференционных формулах 296

12.6. Распространение радиоволн в зоне тени и полутени 299

Контрольные вопросы 307

13. Распространение земных радиоволн при низко

расположенных антеннах 309

13.1. Формула идеальной радиопередачи 309

13.2. Структура поля над поглощающей поверхностью Земли 311

13.3. Расчет вертикальной составляющей напряженности электрического поля. Формула Шулейкина – Ван-дер-Поля 316

13.4. Распространение радиоволн при низко

расположенных антеннах над неоднородной трассой 321

Контрольные вопросы 325

14. Тропосфера и ее влияние на распространение радиоволн

14.1. Электрические параметры тропосферы 326

14.2. Рефракция радиоволн 329

14.2.1. Траектория волны в сферически слоистой среде 329

14.2.2. Эквивалентный радиус Земли 334

14.2.3. Виды тропосферной рефракции 336

14.2.4. Распространение радиоволн в условиях

сверхрефракции 338

14.3. Распространение радиоволн путем рассеяния

на неоднородностях тропосферы 340

14.4. Ослабление радиоволн в тропосфере 345

Контрольные вопросы 348

15. Ионосфера и ее влияние на распространение радиоволн

15.1. Состав и строение ионосферы 349

15.2. Электрические параметры ионосферы 352

15.3. Отражение и преломление радиоволн в ионосфере 356

15.4. Поглощение радиоволн в ионосфере 364

15.5. Влияние постоянного магнитного поля Земли

на распространение радиоволн в ионосфере 366

Контрольные вопросы 370

16. Диапазонные особенности распространения радиоволн

16.1. Особенности распространения сверхдлинных

и длинных волн 371

16.2. Особенности распространения средних волн 373

16.3. Распространение коротких волн 375

16.4. Распространение ультракоротких волн 378

16.4.1. Распространение УКВ в пределах прямой видимости 378

16.4.2. Распространение ультракоротких волн за горизонт 385

Контрольные вопросы 388

17. Помехи радиоприему

17.1. Оценка уровня помех 389

17.2. Атмосферные помехи 393

17.3. Промышленные помехи 394

17.4. Космические помехи 395

17.5. Шумы, созданные тепловым излучением Земли 395

Контрольные вопросы 399

Литература 400

Список сокращений и обозначений 402