ВВЕДЕНИЕ

Содержание курса. В современной радиотехнике и связи широкое применение находят электромагнитные волновые процессы и разнообразные устройства, в которых эти процессы играют суще ственную роль: (передающие линии и волноводы, излучатели и приемные антенны, объемные резонаторы и фильтры, невзаимные устройства с ферритами, элементы быстродействующих вычислительных машин и коммутационных устройств, работающих в сантиметровом или оптическом диапазоне. Их работа основана на закономерностях теории электромагнитного толя.

Курс технической электродинамики включает изучение теории электромагнитных процессов и техники электродинамических устройств. Он охватывает широкую область электромагнитных явлений: от распространения волн в космических или околоземных (пространствах до процессов в (миниатюрных устройствах сантиметрового и миллиметрового диапазонов. В настоящее время немьгслим квалифицированный специалист но радиотехнике и связи, не обладающий определенным запасом сведений по технической электродинамике. Без этих сведений невозможно даже общее рассмотрение многих современных технических устройств и проблем развития техники.

Создание электростатики и магнитостатики. Некоторые сведения об электрических и магнитных силах были известны еще дрввмим трекам. Наблюдалось два удивительных явления: кусочки папируса прилипали к натертому куску янтаря; железные предметы притягивались к камням, найденным близ города Магнезия. Уже до нашей эры китайскими путешественниками было найдено полезное применение свойству магнита указывать направление на север.

Объяснения обнаруженных явлений вплоть до XVIII в. были далеки от истины: считалась, что (магнитные и электрические силы вызываются истечениями особой (невесомой магнитной или электрической материи. В течение веков даже не подозревали о взаимной связи между электрическими и магнитными явлениями.

Основные закономерности электричества и магнетизма были найдены в конце XVIII и в начале XIX веков. Эпоха возрождения

принесла признание экспериментальному методу познания природы и количественному описанию ее закономерностей. По аналогии с законом всемирного тяготения Ньютона Ш. О. Кулан установил в 1785-1788 гг. первые количественные законы взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов, что позволило создать электростатику и магнитостатику и а основе уже разработанной для небесной механики теории потенциала.

Доминирующей точкой зрения стало предоставление о дистанционном силовом действии: электрические (или магнитные) заряды взаимодействуют мгновенно и на расстоянии. Предполагалось, что если явления происходят в вакууме, то среда (пространство между зарядами) не играет никакой роли в передаче силовых воздействий; даже если пространство заполнено жидкостьюлибо твердым телом, влияние среды второстепенно.

Установление связи между магнитными «электрическими явлениями. В 1820 г. Г. Эрстед обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку. А. М. Ампер изучил это явление и обосновал новую точку зрения, согласно которой магнитным действием обладают только движущиеся электрические заряды; им же были установлены количественные связи магнитного поля с электрическим таком. Так были заложены основы новой науки, рассматривающей взаимодействие электричества и магнетизма. Ампер назвал ее электродинамикой.

Широкий круг экспериментальных исследований провел в первой половине XIX в. М. Фарадей. Им было установлено, что любое изменение магнитного потока через виток провода, независимо от причины этого изменения, вызывает в витке электродвижущую силу. Открытие Фарадеем этого закона электромагнитной индукции завершило существенный этап в изучении взаимных превращений электричества и магнетизма и явилось важнейшим шагом к познанию электромагнитных волновых процессов.

Фарадей ввел основные понятия электромагнитного поля, опираясь на концепцию электрических и магнитных силовых линий, пронизывающих все пространство. Он показал, что сила электрических и магнитных взаимодействий зависит от свойств среды. введено понятие диэлектрической проницаемости, открыты явления парамагнетизма и диамагнетизма. При отсутствии вещества, по воззрениям Фарадея, взаимодействия передаются через эфир — упругую, всепроникающую, невесомую субстанцию. Эта точка зрения привела Фарадея к мысли о конечном времени передачи электромагнитных взаимодействий и колебательном, волновом характере распространения электрических и магнитных процессов, аналогичных волнам на воде или звуковым колебаниям юоздуха.

Создание теории электромагнитного поля. В одной из первых своих работ «О фарадеевых силовых линиях» Д. К. Максвеллу удалось выразить картину силовых линий в более строгой математической форме. В 1864 г. Максвелл впервые опубликовал полную систему уравнений электромагнитного поля,

которые объединили в лаконичной форме известные ранее соотношения. Максвелл впервые обнаружил внутреннее противоречие в установленных до него законах электромагнетизма — не выполнялся закон сохранения заряда. Введя в уравнение, полученное Ампером, дополнительное слагаемое, Максвелл устранил это противоречие. Обобщенное таким образом уравнение устанавливало, что причиной возникновения магнитного поля может служить не только ток проводимости, но и изменение электрического поля, вызывающее так называемый ток смещения. Эта небольшая, на первый взгляд, поправка, полученная чисто теоретическим путем, позволила описать новый класс явлений — электромагнитные волны, представляющие собой переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. Заключив отсюда, что свет — тоже электромагнитный процесс, Максвелл посироил электромагнитную теорию света. Современники Максвелла принимали его теорию очень неохотно; здесь сыграли роль и ее новизна, и сложное истолкование самим автором своих идей с помощью упругих натяжений в механической модели эфира, и отсутствие в то время экспериментального подтверждения теоретических выводов.

Теперь мы можем оценить значение сделанного Максвеллом открытия, которое считается одним из самых выдающихся событий в физике XIX в.

Экспериментальное (подтверждение теории. Знаменитые опыты Г. Герца, проведенные в 1886-1888 гг. с несомненностью подтвердили существование электромагнитных волн и аналогию со световыми лучами. Несколько его работ, завершившихся сочинением «Об основных уравнениях электродинамики покоящихся юред», представили всю совокупность электромагнитных явлений как следствие уравнений Максвелла.

Изумительные по тонкости опыты русского физика П. Н. Лебедева (1900 г.) позволили обнаружить и измерить световое давление, существование и величина которото также были предсказаны Максвеллом. Таким образом, Лебедев впервые установил наличие у электромагнитного поля инертной массы.

Изобретение радио. Наш соотечественник А. С. Попов блестяще завершил все перечисленные теоретические открытия и физические эксперименты, сделав решающий шаг, отделяющий физику от ее технических приложений. Он практически осуществил систему радиосвязи для нужд морского флота. Весной 1895 г. он провел серию опытов в полевых условиях и добился дальности передачи 30—40 сажен (60-80 м). В этих экспериментах имелись все известные нам элементы линии радиосвязи: передатчик, антенны, приемник. Первая публичная демонстрация Поповым, изобретенной им системы во время доклада в Русском физикохимическом обществе 7 мая 1895 г. считается днем изобретения радио.

Электродинамика XX века. В конце XIX в. были обнаружены первые элементарные частицы — электроны, существование

соторых в какой-то мере противоречило теории (непрерывного поля. Электронную теорию вещества, обобщающую теорию Максвелла, создал голландский физик Г. А. Лоренц.

К концу XIX в. волновая теория электрических, магнитных и Оптических явлений, основанная на уравнениях Максвелла, стала общепризнанной. Из всего предыдущего опыта изучения волновых движений следовало, что волны всегда распространяются в некой среде; вполне естественно было предположить, что для распространения света тоже необходима некоторая ореда; как уже отмечалось, она была названа эфиром. Свойства электромагнитных воли требовали, чтобы эфир заполнял все пространство, имел пренебрежимо малую плотность и практически не взаимодействовал с веществом. Однако эта гипотеза ставила электромагнитные явления в особое положение. Было изтестно, что законы механики одинаковы (инвариантны) в различных системах координат, движущихся равномерно одна относительно другой (галлилеевы системы отсчета). Признание существования эфира подразумевает неинвариантность законов электромагнетизма для галлилеевых систем координат, так как имеется преимущественная система координат, в которой эфир покоится, и только в ней скорость света равна с

В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», положившую начало специальной теории относительности. Обобщая опытные данные, Эйнштейн выдвинул два постулата, гласящие, что скорость света постоянна в любой галлилеевой системе отсчета (1) и не зависит от движения источника (2). Эти постулаты сделали бессмысленным вопрос об определении движения относительно эфира и тем самым отвергли гипотезу о существовании эфира как некоторой единой среды, несущей электромагнитные волны.

Теория Эйнштейна совершила переворот в фундаментальных представлениях физики и во многом определила современные взгляды на материю. Важнейшим выводом этой теории является также взаимосвязь массы и энергии определяемая известным соотношением

Изучение микроскопического строения материи привело к созданию квантовой физики, а впоследствии и квантовой радиотехвики, в основе которых лежит представление о дискретности излучения электромагнитной энергии.

Техника радиосвязи началась с искровых передатчиков Йециметровых волн; в этом диапазоне проводил свои передачи

А. С. Попов. Первые передатчики незатухающих колебаний работали в диапазоне сверхдлинных волн. Постепенно осваивались все более короткие волны, что расширяло возможности передачи информации. К началу Великой Отечественной войны более широкое применение нашли дециметровые волны. Появление радиолокации, в затем радиорелейной связи дало толчок к развитию техники сантиметровых и миллиметровых волн. Сейчас радиоволны

преодолевают космические расстояния порядка сотни миллионов километр ров на линии Венера — Земля.

Последние десятилетия характеризуются непрерывным расширением технических приложений и развитием теории электромагнетизма. На очереди — освоение новых радиотехнических диапазонов: миллиметрового, субмиллиметрового, инфракрасного, оптического. Они имеют исключительно большие потенциальные возможности передачи информации.

Выдающийся вклад в развитие современной электродинамики внесли многие советские ученые, среди которых, в первую очередь, следует назвать Б. А. Введенского, М. А. Леонтовича, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Пистолькорса, М. В. Шулейкина, В. А. Фока.