Электромагнитные поля и волны

ПРЕДИСЛОВИЕ 9 ВВЕДЕНИЕ 12 ГЛАВА I. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА. ОСНОВНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ. ВИДЫ СРЕД И ИХ ВЗАИМОВЛИЯНИЕ С ПОЛЕМ 15 §1.1. Понятие и общие свойства электромагнитного поля 15 §1.2. Пространственно-временное усреднение величин, характеризующих электромагнитное поле. Волны и среды в макроскопических масштабах 16 §1.3. Величины р и j электромагнитного поля 19 §1.4. Силовые векторы E и B электромагнитного поля 19 §1.5. Индикация вектора E электромагнитного поля 21 §1.6. Индикация вектора B электромагнитного поля 22 §1.7. Векторы D и H электромагнитного поля 25 §1.8. Виды сред 26 §1.9. Поляризация вещества 30 §1.10. Намагничивание вещества 33 §1.11. Электропроводность вещества 35 §1.12. Описание электромагнитного поля 37 §1.13. Понятия потока векторного поля и его дивергенции 39 §1.14. Понятия циркуляции векторного поля и его ротора 42 §1.15. Особенности дивергенции и ротора, как продуктов векторных полей 44 §1.16. Скалярное поле и понятие его градиента 46 Задачи 50 ГЛАВА II. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕД. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ 51 §2.1. Система уравнений Максвелла и ее особенности 51 §2.2. Первое уравнение Максвелла 53 §2.3. Второе уравнение Максвелла 58 §2.4. Третье уравнение Максвелла 59 §2.5. Четвертое уравнение Максвелла 64 §2.6. Уравнение непрерывности. Закон сохранения заряда 65 §2.7. Снова о токе смещения 66 §2.8. Связь уравнений Максвелла 68 §2.9. Понятия сторонних сил, токов и зарядов 69 §2.10. Классификация сред по проводящим и изолирующим свойствам 71 §2.11. Время релаксации для различных сред 74 §2.12. Граничные условия. Постановка задачи 75 §2.13. Граничные условия для нормальных составляющих векторов электромагнитного поля 77 §2.14. Граничные условия для тангенциальных составляющих векторов электромагнитного поля 79 §2.15. Физическая сущность граничных условий для векторов электрического поля на границе раздела диэлектрических сред 82 §2.16. Физическая сущность граничных условий для векторов электрического поля на границе раздела диэлектрик – идеальный проводник 85 §2.17. Физическая сущность граничных условий для векторов магнитного поля 88 §2.18. Физическая сущность граничных условий в переменных полях на границе разделов диэлектрик – идеальный проводник и диэлектрик – металл 92 Задачи 95 ГЛАВА III. ВОЛНОВЫЕ УРАВНЕНИЯ. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ПОЛЯ 97 §3.1. Волновые уравнения Даламбера 97 §3.2. Электродинамические потенциалы электромагнитного поля 99 §3.3. Дифференциальные уравнения для определения векторного и скалярного потенциалов в однородной изотропной среде 101 §3.4. Скалярный потенциал поля неподвижного распределения заряда постоянной величины 103 §3.5. Скалярный потенциал поля неподвижного точечного заряда, изменяющегося во времени 105 §3.6. Электромагнитная волна 106 §3.7. Решения волновых уравнений электродинамических потенциалов 108 Задачи 111 ГЛАВА IV. МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. ЕГО ВОЛНОВЫЕ УРАВНЕНИЯ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. ВОЛНЫ В СРЕДАХ 112 §4.1. Монохроматическое поле. Метод комплексных амплитуд 112 §4.2. Диэлектрическая и магнитная комплексные проницаемости 114 §4.3. Система уравнений Максвелла монохроматического поля. Волновыe уравнения Гельмгольца 118 §4.4. Электродинамические потенциалы монохроматического поля 120 §4.5. Характеристики электромагнитной волны 126 §4.6. Принцип Гюйгенса-Френеля. Методы геометрической и физической оптики 128 §4.7. Плоские однородные волны 132 §4.8. Соотношение для параметров плоских однородных волн в однородных и изотропных средах с потерями 136 §4.9. Волны в слабопоглощающих диэлектриках 138 §4.10. Волны в металлической среде 139 §4.11. Поляризация волн 142 §4.12. Стоячие волны 147 §4.13. Режим смешанных волн. Понятие o согласовании 151 §4.14. Плоская однородная волна произвольной ориентации 156 Задачи 157 ГЛАВА V. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И УРАВНЕНИЯ БАЛАНСА ЕГО МОЩНОСТЕЙ. ВЕКТОР ПОЙНТИНГА И ДАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ 159 §5.1. Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Потери энергии, обусловленные проводимостью среды 159 §5.2. Уравнение баланса мгновенных мощностей как следствие уравнений Максвелла 161 §5.3. Электрическая и магнитная энергии электромагнитного поля. Плотности энергий и уравнение локального баланса мгновенной мощности 165 §5.4. Магнитная энергия магнетика в виде ферритового кольца с центральным проводником с током и его индуктивность 167 §5.5. Электрическая энергия конденсатора и его емкость 168 §5.6. Природа возникновения тока в замкнутой цепи с источником сторонней силы. Проводник с постоянным током 169 §5.7. Проводник с переменным током. Скин-эффект 172 §5.8. Вектор Пойнтинга монохроматического поля. Комплексный вектор Пойнтинга 173 §5.9. Уравнение баланса мощностей монохроматического поля. Комплексные мощности 177 §5.10. Баланс мощностей в линии радиосвязи 181 §5.11. Баланс мощностей в энергетически изолированной системе. Добротность колебательной системы 182 §5.12. Энергетическая скорость электромагнитной волны 185 §5.13. Давление электромагнитных волн. Импульс фотона 187 §5.14. Теорема единственности для монохроматического поля 189 Задачи 193 ГЛАВА VI. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ И МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ 195 §6.1. Классификация электромагнитных явлений 195 §6.2. Электростатическое поле. Потенциал точки поля 197 §6.3. Граничные условия в электростатике 201 §6.4. Энергия электростатического поля 202 §6.5. Ёмкость 204 §6.6. Поле равномерно заряженной бесконечной тонкой нити 206 §6.7. Поле равномерно заряженного по длине бесконечно протяжённого проводящего цилиндра 207 §6.8. Поле противоположно заряженных бесконечных параллельных нитей 208 §6.9. Поле противоположно заряженных проводящих бесконечных параллельных цилиндров 211 §6.10. Поле заряженного проводящего шара 213 §6.11. Поле электрического диполя 214 §6.12. Явление электростатической индукции и ее проявления. Электростатическая защита 216 §6.13. Поле точечного заряда, расположенного над проводящей поверхностью, и метод зеркального изображения 218 §6.14. Применение метода зеркального изображения 220 §6.15. Конденсаторы 221 §6.16. Диэлектрический шар в однородном электростатическом поле 223 §6.17. Аналогия поля диэлектрического шара, поляризованного внешним однородным полем, с полем электрического диполя 226 §6.18. Теорема Ирншоу 229 §6.19. Магнитостатика. Потенциал магнитостатического поля и его граничные условия 230 §6.20. Шар из магнетика в однородном магнитостатическом поле 232 Задачи 234 ГЛАВА VII. СТАЦИОНАРНЫЕ ПОЛЯ 236 §7.1. Протекание постоянного тока в линейном проводнике 236 §7.2. Цепь постоянного тока и закон Ома для всей цепи 240 §7.3. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа 242 §7.4. Протекание постоянного тока в сплошной среде 244 §7.5. Сопротивление утечки конденсаторов 246 §7.6. Заземление линий передач 247 §7.7. Магнитное поле постоянных токов. Закон Био – Савара 250 §7.8. Магнитные поля проводящих бесконечно протяженных прямолинейных нити и цилиндра с постоянным током 252 §7.9. Магнитные поля бесконечно протяженных прямолинейных круглой трубы и коаксиального кабеля с постоянным током 255 §7.10. Магнитное поле тороида с равномерной намоткой. Магнитные цепи 257 §7.11. Магнитные поля бесконечно протяженных прямолинейных двух нитей и двухпроводной линии с постоянным током 259 §7.12. Магнитное поле контура с током и его аналогия с магнитным диполем 261 §7.13. Общие свойства стационарного поля 265 §7.14. Магнитная энергия стационарного поля 267 §7.15. Индуктивность, взаимная индуктивность и примеры их расчета для различных систем 270 Задачи 274 ГЛАВА VIII. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ ПОЛЯ 276 §8.1. Условия квазистационарности электромагнитного поля 276 §8.2. Индуктивность, емкость при квазистационарных процессах. Системы с сосредоточенными и распределенными параметрами 279 §8.3. Энергия квазистационарного поля. Колебательный контур переменного тока 281 §8.4. Вынужденные электрические колебания. Импеданс, векторные диаграммы 285 §8.5. Работа и мощность переменного тока 289 §8.6. Согласование нагрузки с генератором 292 §8.7. Резонансы в цепи переменного тока 294 §8.8. Трансформатор 297 Задачи 300 ГЛАВА IX. ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД 303 §9.1. Постановка задачи 303 §9.2. Перпендикулярная поляризация 305 §9.3. Формулы Френеля для перпендикулярной поляризации 308 §9.4. Формулы Френеля при параллельной поляризации 310 §9.5. Условие полного прохождения волны во вторую среду. Угол Брюстера 312 §9.6. Явление полного внутреннего отражения от границы раздела двух диэлектрических сред 315 §9.7. Анализ напряженности электрического поля в более плотной среде при явлении полного внутреннего отражения в случае перпендикулярно поляризованной падающей волны 317 §9.8. Анализ напряженности магнитного поля в более плотной среде при явлении полного внутреннего отражения в случае перпендикулярно поляризованной падающей волны 319 §9.9. Энергетические соотношения для волны, распространяющейся в более плотной среде при явлении полного внутреннего отражения в случае перпендикулярно поляризованной падающей волны 321 §9.10. Анализ поля в менее плотной среде при явлении полного внутреннего отражения в случае перпендикулярно поляризованной падающей волны 324 §9.11. Явления на границе раздела диэлектрик – идеальный проводник 327 §9.12. Падение плоской волны из идеального диэлектрика на поглoщающую среду 330 §9.13. Граничное условие Леонтовича. Поглощение энергии в реальном проводнике 334 §9.14. Протекание тока в приповерхностном слое реального проводника и эквивалентный поверхностный ток 336 §9.15. Неотражающие структуры 337 §9.16. Радиопрозрачные структуры 338 Задачи 341 ГЛАВА X. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 344 §10.1. Излучение электромагнитных волн 344 §10.2. Элементарный электрический вибратор 346 §10.3. Поле в ближней и промежуточных зонах элементарного электрического вибратора 350 §10.4. Поле в дальней зоне элементарного электрического вибратора. Понятие диаграммы направленности 351 §10.5. Мощность излучения элементарного электрического вибратора. Сопротивление излучения 355 §10.6. Симметричная запись уравнений Максвелла. Принцип двойственности уравнений Максвелла 355 §10.7. Элементарный магнитный вибратор 358 §10.8. Соотношения эквивалентности сторонних сил 360 §10.9. Физически осуществимые модели элементарного магнитного вибратора 361 §10.10. Принцип эквивалентности полей и поверхностных токов сторонних сил 362 §10.11. Решения уравнений Максвелла с учётом магнитных токов и зарядов 366 §10.12. Элементарный излучатель Гюйгенса 368 §10.13. Лемма Лоренца. Теорема взаимности и ее следствия 370 §10.14. Гипотетический идеальный излучатель и реальные антенны 372 §10.15. Эффект Доплера 375 Задачи 378 ГЛАВА XI. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА В ПРИБЛИЖЕНИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ. РЕФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 379 §11.1. Локально плоские волны. Уравнения Максвелла в приближении геометрической оптики 379 §11.2. Распространение волны в однородной и неоднородной средах в условиях геометрической оптики. Принцип Ферма 382 §11.3. Методика определения хода лучей в системах, содержащих зеркала и линзы. Определение форм их поверхностей 385 §11.4. Рефракция электромагнитных волн и ее проявления в естественных условиях 389 §11.5. Кривизна лучей в неоднородной среде с непрерывно изменяющимися параметрами 391 §11.6. Энергетические и амплитудные соотношения поля волны в геометрической оптике 393 §11.7. Рассеяние плоской волны бесконечно протяженным идеально проводящим цилиндром и проводящим шаром в приближении геометрической оптики 395 Задачи 398 ГЛАВА XII. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 401 §12.1. Дифракция электромагнитных волн. Постановка задачи дифракции 401 §12.2. Строгое решение задачи дифракции плоской волны на бесконечно протяженном идеально проводящем цилиндре 403 §12.3. Виды дифракции в представлениях физической оптики. Метод решения дифракционных задач в приближении Кирхгофа 407 §12.4. Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии в идеально проводящем экране 409 §12.5. Дифракция Френеля на прямоугольном отверстии 414 §12.6. Радиусы зон Френеля. Минимальная область распространения волны 417 §12.7. Условное определение нижней границы дальней зоны – зоны Фраунгофера 420 §12.8. О формировании и учете отраженной волны 425 §12.9. Критерий Рэлея шероховатости поверхности 427 §12.10. Развитие теорий дифракции. Основы геометрической теории дифракции 428 Задачи 431 ПРИЛОЖЕНИЕ 435 ЛИТЕРАТУРА 442