Материал: Электромагнитные волны и колебания в устройствах СВЧ. Филатов И.А

1.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И СПОСОБЫ ИХ ОПИСАНИЯ

В физике для разграничения различных объектов окружающего нас материального мира введены такие понятия, как вещество и поле. Для вещества характерным является наличие инерциальной массы, в связи с чем движение макроскопических объектов, состоящих из вещества, списывается известными законами классической механики. Поля, в отличие от веществ, обладают ничтожно малой массой, поэтому законы механики к ним неприменимы. В качестве примера можно назвать электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие каким-либо частицам, в частности, электронам, протонам, нейтронам и т.п.

Электромагнитное поле представляет собой особый вид материи и характеризуется следующими основными свойствами: I) непрерывностью распределения в пространстве; 2) способностью распространяться со скоростью света; 3) способностью силового воздействия на электрические заряды и электрические цепи, в процессе которого энергия может переходить из одного вида в другой.

Первое из отмеченных свойств справедливо лишь при макроскопическом рассмотрении поля, чаще всего обычном для радиотехники.

При микроскопическом рассмотрении электромагнитное поле следует считать состоящим из фотонов, в связи с чем в его структуре обнаруживается дискретность. К тому же следует указать, что, как установлено экспериментально, величины любых электрических зарядов, встречающихся в природе,

кратны заряду электрона е, равному приблизительно

1,6 ∙ 10-19 Кл.

8

Следовательно, электромагнитное поле есть колебательный процесс, заполняющий все новые и новые части окружающей среды.

Электромагнитное поле характеризуется энергией и

Из-за большой величины скорости с масса поля в соответствии с (1.1) действительно оказывается ничтожно малой и ею в большинстве случаев пренебрегают. Однако сам

факт существования m0 объясняет давление света на освещаемую им поверхность и подтверждает материальность поля. Последняя подтверждается и взаимным превращением

Материалистической концепции поля придерживались еще Фарадей и Максвелл, которые полагали, что взаимодействие зарядов (или токов) происходит через окружающую их материю, представляющую собой не что иное, как электромагнитное поле, изменяющееся во времени с конечной скоростью.

Основные принципы теоретических положений Максвелла были признаны лишь с появлением работ Г.Герца, который экспериментальным путем получил свободные электромагнитные волны и показал способность их к преломлению и отражению. Дальнейшее подтверждение теории Максвелла связано с изобретением радио А.С.Поповым и обнаружением давления света П.Н.Лебедевым.

Силовое воздействие электромагнитного поля на электрические заряды или токи оценивается с помощью векторных величин, называемых напряженностью электрического поля и магнитной индукцией.

Напряженность электрического поля по величине и знаку равна механической силе, действующей на единичный

10

положительный заряд, расположенный в рассматриваемой

величиной силы, действующей на единичный заряд, движущийся в магнитном поле с единичной скоростью.

Электрическое поле оказывает силовое воздействие как на неподвижные, так и на движущиеся заряды; при этом движущаяся заряженная частица вещества изменяет свою

где F э - вектор силы, действующей на пробный заряд q.

При рассмотрении полей в материальных средах, например в диэлектриках, вводят второй вектор Д ,названный вектором электрического смещения (или электрической индукцией). В вакууме между Д и E существует связь

проницаемость вакуума или воздуха.

Магнитное поле взаимодействует только с движущимися зарядами, причем кинетическая энергия заряженных тел остается неизменной, а изменяется лишь траектория движения.

В вакууме магнитное поле полностью определяется его

где q, V - точечный заряд и его скорость движения в магнитном поле; Fм - сила, действующая на движущийся заряд q.

11

Из (1.3) видно, что Fм и V взаимно перпендикулярны, вследствие чего и не изменяется кинетическая энергия заряда.

Для полей в магнитных материалах помимо B вводят

еще и вектор H , называемый напряженностью магнитного

поля. В вакууме B и H связаны между собой зависимостью

а0 ,

Где ao = 410 7 Гн/м- абсолютная магнитная проницаемость вакуума или воздуха.

В системе единиц СИ вектор H имеет размерность А/м, а B - T = Вб/м2

На основании ( 1.2) и (1.3) результирующую силу электромагнитного поля, называемую силой Лоренца, можно определить по формуле

F л Fэ Fм q E q [V B].

При исследованиях электрических и магнитных полей для их изображения широко пользуются силовыми линиями, которые расположены так, что касательные к ним указывают направление вектора напряженности соответствующего поля. Для более полной характеристики свойств поля считают, что густота силовых линий определяет величину его напряженности, т.е. чем больше число силовых линий, приходящихся на единицу площади поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, тем больше напряженность поля.

Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное условно и возможно лишь при макроскопическом рассмотрении явлений; при микроскопическом всегда обнаруживается действие обоих полей.

12