Затухание ЭМВ при распространении в средах с конечной проводимостью

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Харьковский национальный университет

им. В.Н. Каразина

Радиофизический факультет

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ

 

«Затухание ЭМВ при распространении в средах с конечной проводимостью»

Руководитель:

Колчигин Н.Н.

Студент группы РР-32

Бойко Ю.В.

Харьков 2004

Содержание

 

Введение. 4

Основная часть. 5

1. Вывод уравнений для плоских волн. 5

2. Связь характеристик распространения с параметрами среды.. 9

3. Вычисление затухания в данной среде. 14

Список использованной литературы.. 15

ЗАДАНИЕ

1.Изучить общие сведения и формулы.

2.Построить зависимость электрической компоненты поля от глубины проникновения.

3.Вычислить затухание на глубине Н=0,5 м, l=10 м, в пресной воде (e=80, s=10^-3 См/м)

Введение

Распространение электромагнитных волн широко рассматривается в литературе, но в ней большое внимание уделяется распространению волн в диспергирующих средах и законам геометрической оптики. В данной работе рассматривается связь характеристик распространения с параметрами среды и затухание элекромагнитных волн в средах с конечной проводимостью
Основная часть

1. Вывод уравнений для плоских волн

Рассмотрим электромагнитный волновой процесс, векторы  и  которого могут быть представлены в виде

=(x,t), =(x,t) (1.1)

Рис. 1.1. Направление распространения плоской волны

Здесь (рис. 1.1.)  есть расстояние от начала координатной системы до плоскости

а  является постоянным единичным вектором. Так как производные по координатам будут равны  и т. д., то

(1.2)

(1.3)

Следовательно, для плоской волны уравнения Максвелла принимают вид

(1.4)

,

Последние два уравнения означают независимость проекций  и  на направление распространения от координаты x, т. е. E_x =const и H_x=const в данный момент времени. Исследуем их по­ведение во времени. Для этого второе уравнение (1.4) умножим скалярно на :

Так как

то

и

или , т.е. dH_x= 0, H_x = const. Для исследования поведения E_x умножим скалярно первое из уравнений (1.4) на :

Так как , получаем

Прибавим к этому равенству

Следовательно, при конечной s компонента E_x экспоненциально убывает со временем, т. е. статическое электрическое поле не может поддерживаться внутри проводника.

Найдем уравнения для  и отдельно. Для этого продиффе­ренцируем по t первое из уравнений (1.4)

Найдем  из второго из уравнений (1.4), продифференцировав его по x:

Получаем

откуда

, так как

Отсюда следует

(1.6)

Аналогично

(1.7)

Эти уравнения можно решить методом разделения переменных, идем решение для комплексной амплитуды Е поля , Положив

E=f₁(x)f₂(x)

Получаем

(1.8)

Общее решение для f₁ будет

Частное решение для f₂ возьмем в виде

Таким образом, решением для  будет выражение

Решая уравнение (1.7), получим аналогичное решение для

Подставив эти значения во второе из уравнений (1.4), получим

откуда

Так как x в этом равенстве может принимать любые значения, коэффициенты при экспонентах должны равняться нулю:

Поэтому

(1.9)

Отсюда следует ()=0 (так как ([])=0), т. е. векторы  и ортогональны к направлению  и друг к другу.

2. Связь характеристик распространения с параметрами среды

Установим связь между р и k. Из (1.8) получим

(2.1)

Если задана периодичность в пространстве, т. е. k, то р можно найти из уравнения (2.1)

Тогда

где

Распространение возможно, если q действительно. Волновой про­цесс, в котором поверхности равных амплитуд и поверхности рав­ных фаз являются плоскостями, называется плоской волной. Про­стейшим случаем плоской волны является плоская однородная волна. В плоской однородной волне плоскости равных амплитуд совпадают с плоскостями равных фаз. Фазовая скорость такой волны будет равна

Если , то q — мнимое, и распространения нет: существует

пространственная периодичность по x и монотонное затухание. На­чальная форма волны не смещается вдоль оси x, волновое явление вырождается в диффузию.

Частный случай временной зависимости р = iw. Тогда

(2.2)

Таким образом, при  волновое число k комплексно. Обозначим k=a+ib, где a — фазовая константа, b — коэффициент затухания. Тогда

(2.3)

Следовательно, при р=iw имеет место волновой процесс с зату­ханием, если .

Исследуем фазовую скорость волны в среде с конечными e и s. Поскольку волновое число комплексно: k=a+ib, имеем

(₂ считаем равным нулю).

В общем случае ₁ также комплексно: ,

где a, b, , q — действительные числа. Отсюда получаем выражение фазовой скорости

Действительно, так как  представляет скорость, с которой движется плоскость постоянной фазы

=const

то

откуда

Для определения степени затухания и фазовой скорости нужно вычислить a и b. Из уравнений (2.3) получаем

Введем обозначение

 тогда

или

Здесь нужно оставить знак +, так как a — действительное число

(2.4)

Аналогично получим для b

(2.5)

Отсюда находим фазовую скорость

(2.6)

Зависимость фазовой скорости от частоты сложная: если e, m, s не зависят от частоты, то с увеличением w фазовая скорость увеличи­вается, т. е. в сложной волне гармоники убегают вперед.

Рассмотрим зависимость поглощения b, определяемого равенством (2.5), от электрических характеристик среды. Член  представ­ляет отношение , так как . Следовательно,

Но , поэтому при tgd<<1

Ограничившись двумя членами разложения, получим

(2.7)

Следовательно, по поглощению волны можно определить tgd:

при (единица длины) получаем

Измеряется b в неперах

или в децибелах

где P — мощность.

В случае малых tgd зависимость b от частоты пренебрежимо мала, так как

В случае tgd>> 1 формулы (2.4), (2.5) можно упростить и привес­ти к виду

Фазовая скорость

3. Вычисление затухания в данной среде

Электромагнитная волна l=10м проникает в воду пресного водоема (e=80, s=10^-3См/м) на глубину 0,5м.

, tgd<<1

 1/м

, на глубине 0,5 м

 Список использованной литературы

 

1.   Семенов А.А. Теория электромагнитных волн.-М.: Изд-во МГУ,1968.

2.   Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны.-М.:Сов.Радио, 1957.

3.   Баскаков С.И. Электродинамика и распространение волн.-М.: Высш.шк., 1992.

4.   Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах.-М.: Наука ,1973.

5.   Тамм И.Е. Основы теории электричества.-М.: Наука, 1989.