Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. Учебник для студентов вузов. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1978.— 231 с, ил.



В книге рассмотрена теория электромагнитного поля. Все главы нового издания переработаны и дополнены. Включен новый материал: конформные преобразования с помощью интеграла Шварца, отражения в сфере и цилиндре, второй вариант метода интегральных уравнений, распространение волн в гнротропных средах и др. Введены вопросы и задачи для самопроверки. Предназначается для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов, Седьмое издание учебника по теоретическим основам электротехники в отличие от предыдущих изданий выпущено в двух книгах. В первой книге рассмотрены вопросы теории линейных и нелинейных электрических цепей (I и II части курса ТОЭ), во второй — вопросы теории электромагнитного поля (III часть курса ТОЭ). Структура второй книги аналогична структуре первой.
Материал излагается малыми, удобными для восприятия порциями, сопровождается числовыми примерами. Все необходимые для понимания материала книги математические и физические пояснения даются по ходу изложения. В каждой главе имеются вопросы и задачи для самопроверки. Рекомендуемые для решения задачи указаны по сборнику задач [18].
Нормальным шрифтом (корпусом) в книге набран материал, обязательный для изучения студентами всех специальностей, в учебных планах которых имеется III часть курса ТОЭ. Петитом набран материал в неодинаковой степени обязательный для студентов различных специальностей. Какую часть набранного петитом материала следует изучить студенту, должна указать кафедра ТОЭ соответствующего вуза. По сравнению с предыдущим изданием все главы III части курса подверглись переработке. Так же как и в первой книге, во второй осуществлена перестановка некоторых глав и параграфов по сравнению с шестым изданием. Рассмотрены следующие новые вопросы, отсутствовавшие в предыдущем издании: зеркальные изображения в сфере и цилиндре, интеграл Шварца, второй вариант метода интегральных уравнений, распространение электромагнитных волн в гиро-тропных средах, полосковые линии, граничные условия Леонтовича, формулы Френеля, поле в пазу электрической машины, понятие о запредельном волноводе и др.
Во второй книге помещен краткий обзор развития электротехники, охватывающий и теорию цепей и теорию поля. Часть справочного материала, необходимого для I, II и III частей курса (таблицы функций е*, e~-v, sh x, ch х), помещена в первой книге. Остальной справочный материал (таблица функций Бесселя комплексного аргумента, свойства проводниковых и диэлектрических материалов) помещен во второй книге. При подготовке второй книги к изданию помощь оказали ст. преподаватель кафедры ТОЭМИРЭАС. Э. Расовская и доц. С.А. Ми-ленина.
Автор с благодарностью примет все замечания по улучшению учебника, которые просит направлять по адресу: Москва, К-51, Нег-линвая ул., д. 2&/14, изд-во «Высшая школа». Под электромагнитным полем понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимно связанных и взаимно обусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле обладает характерными для него электрическими и магнитными свойствами, доступными наблюдению. Силовое воздействие поля на электрические заряды и токи, находящиеся в поле, положено в основу определения основных векторных величин, которыми характеризуют поле, напряженности электрического поля и магнитной индукции магнитного поля.
Электромагнитное поле может самостоятельно существовать в виде электромагнитных волн в пустоте. Это свидетельствует о том, что оно является особой формой материи. В то же время электромагнитное поле обладает энергией, массой и количеством движения, т. е. характеристиками обычной формы материи. Масса электромагнитного поля в единице объема определяется как частное от деления энергии поля в единице объема на квадрат скорости распространения электромагнитной волны в пустоте, равной скорости света. Количество движения электромагнитного поля, отнесенное к единице объема, равно произведению массы поля в единице объема на скорость распространения электромагнитной волны в пустоте (вакууме).
При распространении электромагнитного поля одновременно с движением потока электромагнитной энергии происходит движение массы поля и количества движения.
Масса электромагнитного поля, заключенная в. единице объема, несоизмеримо мала по сравнению с массой (плотностью) всех известных веществ. Даже при максимально достижимых в настоящее время значениях напряженностей электрического и магнитного полей масса поля в единице объема оказывается равной. 10~17-f- 10~12 кГ/м3. Тем не менее наличие массы поля имеет принципиальное значение, поскольку в этом факте отражена известная инерционность процессов в электромагнитном поле.
В одних случаях электромагнитное поле распределено в пространстве непрерывно, в других — обнаруживает дискретную структуру, проявляющуюся в виде квантов излученного поля. Электромагнитное поле может превращаться в вещество, а вещество в поле. Так, электрон и позитрон превращаются в два кванта электромагнитного излучения, а при исчезновении фотона возникает пара — электрон и позитрон. Превращение поля в вещество, а вещества в поле соответствует превращению одного вида материи в другой. Пространство и время являются формами существования электромагнитного поля.
При рассмотрении теории, поля будем руководствоваться индуктивным методом, т. е. переходить от частного (от менее совершеннойструктуры) к общему (к более совершенной структуре). В соответствии с этим сначала рассмотрим поля, неизменные во времени, когда электрическое и магнитное поля (две,компоненты электромагнитного поля) можно рассматривать раздельно. Изложение начнем с электростатического поля.
Параметры электронного прибора (лампа, транзистор, тиратрон и т. д.), который является элементом электронной цепи, в существенной мере определяют характеристики этой цепи, а технические возможности электронного устройства (ионно-плазменный источник заряженных частиц, электронный микроскоп и т. д.) зависят от параметров схемы, обеспечивающей его работоспособность. Таким образом, при функционировании электронный прибор и устройство неразрывно связаны с электронной цепью.
В настоящее время элементную базу радиоэлектроники наряду с дискретными элементами образуют интегральные схемы (ИС) на биполярных и полевых транзисторах. На основе ИС создаются современная радиоэлектронная аппаратура, средства электронной вычислительной техники. Микроэлектроника еще больше объединила усилия инженеров электронных приборов и устройств и разработчиков микроэлектронной аппаратуры. Можно сказать, что весь цикл от производства изделий микроэлектроники до производства аппаратуры становится единым.
В данном учебном пособии основное внимание уделено изучению схем радиотехнического назначения и импульсных (цифровых) электронных схем. Деление это, конечно, условное, поскольку, например, в радиотехнике широко используется импульсный режим работы приборов и устройств.
Главной задачей радиотехники является передача сообщений на расстояние. Решение этой задачи связано с генерацией элект^ ромагнитных колебаний в широком частотном диапазоне (от нескольких герц до сотен гигагерц), модуляцией этих колебаний, излучением и приемом, усилением и выделением сигналов, несущих информацию. Каждое из этих преобразований осуществляется определенной электронной цепью: генератором, модулятором, усилителем, детектором.
С известной долей условности все многообразие электрических сигналов можно разделить на две группы — непрерывные (аналоговые) и импульсные. Характеристики сигнала связаны с видом электронной цепи, генерирующей или преобразующей сигнал,— с сосредоточенными и распределенными параметрами. Если отношение линейных размеров элементов электронной цепи к длине волны сигнала меньше единицы, то в цепи всегда можно выделить области с преимущественной локализацией электрической и магнитной энергии, и таким цепям соотносят модели — принципиальные электрические схемы. Если данное отношение больше единицы, то цепь представляет собой систему с распределенными параметрами. Устройства высокочастотного диапазона, а также сверхбыстродействующие ИС представляют собой цепи с распределенными параметрами. В этом случае анализ цепи осуществляется на основе волновых процессов, и реальной цепи соотносят ее эквивалентную схему.
В электронной цепи наряду с полезным сигналом действуют помехи, возникающие по различным причинам. Способность цепи противостоять помехам и обеспечивать высокую работоспособность называют помехоустойчивостью. Методы повышения эффективности обработки информации в электронных цепях при наличии помех связаны с селекцией, фильтрацией и помехоустойчивой модуляцией сигналов.
Импульсный режим работы электронной схемы характеризуется тем, что электрические сигналы, генерируемые ею или воздействующие на нее, представляют собой импульсы различной формы. Под формой импульсного сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока. Наиболее широко в радиоэлектронных устройствах и цифровой технике используют импульсы прямоугольной, линейно изменяющейся и экспоненциальной формы. Параметры применяемых на практике импульсов лежат в широких пределах. Так, длительность их изменяется от 10~9 до 10 с, а импульсная мощность составляет 10... 106 Вт. Импульсные электронные цепи малочувствительны к разбросу параметров входящих в них элементов, временному и температурному дрейфу, а также к внешним электромагнитным помехам.
В данном учебном пособии рассмотрены основные вопросы схемотехники в объеме, достаточном для подготовки инженеров электронной техники. Более полное изложение теории цепей, сигналов и отдельных разделов радиотехники можно найти в учебниках и учебных пособиях, список которых приведен в конце книги.