БАЗА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. ВВЕДЕНИЕ

Принципы работы электротехнических систем и электронных устройств могут быть хорошо поняты и усвоены только при хорошем знании основных положений теории электромагнитного поля. Поэтому целесообразно начать изучение электротехники и электроники с напоминания основных положений теории электромагнитного поля. При этом основное внимание уделяется рассмотрению характеристик реальных электромагнитных полей, а также тем разделам, которые связаны с изучением особенностей распространения электромагнитного поля вдоль проводов и проводящих каналов.

1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Электромагнитное поле представляет собой вид материи, имеет массу, и характеризуется напряженностью электрической составляющей поля [В/м] и напряженностью магнитной составляющей [А/м].

В квантовой электродинамике электромагнитное поле рассматривается одновременно как волна и частица и вводится понятие кванта. Принято, что энергия кванта электромагнитного поля измеряется в электроновольтах (эВ) и пропорциональна средней частоте колебаний излучаемого веществом электромагнитного поля:

Э = h*f [эВ], (1.1)

где h – постоянная Планка,

f – средняя частота спектра излучаемых колебаний.

Величина кванта электромагнитного излучения меняется в очень широких пределах и очень мала для низкочастотных электромагнитных полей. Поэтому при анализе и синтезе электротехнических и электронных устройств ,работающих на относительно низких частотах использование понятия кванта затруднительно. Существенным недостатком использования понятия кванта, в этих случаях является также усложнение учета изменения интенсивности электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля.

Основные свойства электромагнитного поля могут быть достаточно строго описаны совокупностью взаимно связанных случайных векторов, характеризующих напряженности электрической и магнитной составляющей поля. Векторы напряженности электрической и магнитной составляющей поля повернуты в пространстве на 90 градусов и являются в общем случае случайными нестационарными непрерывно изменяющимися во времени величинами.

При этом всякое изменение напряженности электрической составляющей поля, в том числе вызванное изменением параметров среды, приводит к изменению напряженности магнитной составляющей поля. Чем быстрее меняется напряженность электрической составляющей поля ( ), тем больше напряженность магнитной составляющей поля ( ). Аналогично всякое изменение напряженности магнитной составляющей приводит к изменению электрической составляющей поля.

Частоты колебаний электромагнитных полей, используемых в различных электротехнических и электронных устройствах, изменяются в очень больших пределах от 10²⁰ Гц для гамма-лучей до единиц Герца в системах сверхдальней связи. К широко используемым в электронике диапазонам частот относятся сверхнизкие (единицы и десятки Герц), низкие (50….60 Герц), радиочастоты, сверхвысокие частоты, инфракрасные, оптические видимые частоты, рентгеновские, ультрафиолетовые и даже гамма-излучения. Во всех этих диапазонах частот создано множество различных устройств и приборов. Особенно интенсивно освоение новых частотных диапазонов происходит в настоящее время в результате все увеличивающегося использования новых открытий. Необходимо отметить, что в основе разработки все новых приборов и устройств лежат теоретические исследования, базирующие на применении основных положений квантовой электродинамики, учитывающий как волновую природу электромагнитного поля, так и особенности квантования излучения энергии.

В тех случаях, когда скорость изменения напряженности электрической составляющей поля очень мала в некоторых работах делаются попытки пренебрегать влиянием неизбежно возникающей вихревой составляющей магнитного поля и приближенно рассматривать воздействие только электрической составляющей (электростатика, цепи постоянного тока). Однако использование такого приближения, как правило, не допустимо и в ряде случаев приводит к ошибочным результатам и выводам.

Действительно, практически все существующие в природе электромагнитные поля непрерывно изменяются во времени и эти изменения имеют случайный характер. При анализе синтезе систем не желательно также отдельно рассматривать действие электрических и магнитных составляющих поля. Строгий анализ воздействия электромагнитного поля на любые среды может быть проведен только при учете влияния как электрической, так и магнитной составляющей поля и что особенно важно при учете того, что электромагнитное поле представляет собой случайный процесс.