Учебная программа Дисциплины р8 «Прикладная электродинамика» по

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра электродинамики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета

____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа

Дисциплины Б3.Р8 «Прикладная электродинамика»

по направлению 011800 «Радиофизика»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Цель дисциплины — развитие и углубление основ знаний студентов в области электромагнетизма, закладываемых при изучении курсов общей физики и электродинамики.

2. Место дисциплины в структуре программы бакалавра

Дисциплина «Прикладная электродинамика» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика», преподается в 6 семестре.

Дисциплина «Прикладная электродинамика» базируется на следующих дисциплинах образовательной программы бакалавра по направлению «Радиофизика»: модули «Математика» и «Общая физика» базовой части цикла математических и естественнонаучных дисциплин, дисциплина «Электродинамика» и модуль «Методы математической физики» базовой части профессионального цикла.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины «Прикладная электродинамика» формируются следующие компетенции:

способность собирать, обобщать и интерпретировать с использованием современных информационных технологий информацию, необходимую для формирования суждений по соответствующим специальным и научным проблемам (ОК-11);

способность к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии (ОК-12);

способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);

способность применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2);

способность понимать принципы работы и методы эксплуатации современной радиоэлектронной аппаратуры и оборудования (ПК-3);

способность использовать основные методы радиофизических измерений (ПК-4);

способность к профессиональному развитию и саморазвитию в области и электроники (ПК-6).

В процессе изучения дисциплины студенты должны овладеть

знанием основных закономерностей, определяющих поведение электромагнитного поля в сплошной среде и в системах, образованных из тел различной природы;

умением применять эти знания при решении конкретных теоретических и прикладных задач.

4. Объём дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.

Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

180

6

Аудиторные занятия

68

68

Лекции

34

34

Практические занятия (ПЗ)

34

34

Семинары (С)

Лабораторные работы (ЛР)

Другие виды аудиторных занятий

Самостоятельная работа

76

76

Курсовой проект (работа)

Расчетно-графическая работа

Реферат

Другие виды самостоятельной работы

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен (36)

экзамен (36)

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1.

Введение.

1

2.

Электромагнитные волны, в направляющих системах (линиях передачи).

14

16

4.

Описание волн в линиях передачи в терминах тока и напряжения.

8

8

5.

Собственные колебания в полых резонаторах.

5

4

6.

Возбуждение волноводов и резонаторов заданными источниками.

4

4

*

7.

Элементы теории дифракции электромагнитных волн на металлических и диэлектрических телах.

2

2

*

5.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Введение.

1.1. Общая характеристика и практическое значение теории электромагнитных волновых процессов в сплошных средах. Краевые задачи электродинамики при наличии проводников и диэлектриков. Общий план построения курса.

Раздел 2. Электромагнитные волны в направляющих системах (линиях передачи).

2.1. Общее решение уравнений Максвелла для монохроматических направляемых волн. Выражение векторов поля нормальных волн в линии передачи через скалярные функции поперечных координат. Классификация направляемых волн и линий передачи; волны типов ТЕ, ТМ и ТЕМ; гибридные волны; быстрые и медленные волны; открытые и закрытые линии передачи. Двумерное уравнение Гельмгольца. Поперечное и продольное волновые числа.

2.2. Общие свойства волн в линиях передачи с идеально проводящими границами. Граничные условия для поперечных волновых функций. Формулировка и общая характеристика решений краевых задач для волн различных типов. Действительность спектра поперечных волновых чисел. Дисперсионные уравнения. Режимы распространения и запирания. Критические частоты. Длина волны, фазовая и групповая скорости. Характеристический импеданс. Мощность, переносимая волной. Соотношения ортогональности и аддитивность потоков энергии парциальных волн. Условия существования главных (ТЕМ) волн.

2.3. Линии передачи конкретного вида; прямоугольный и круглый волноводы, коаксиальный кабель, двухпроводная и полосковая линии. Спектры поперечных волновых чисел; критические частоты и длины волн. Структура поля волн низших типов. Представление полей волновых мод в виде суперпозиции плоских волн в свободном пространстве (концепция Бриллуена).

2.4. Затухание волн в неидеальной линии передачи. Потери энергии в среде, заполняющей волновод. Потери энергии в стенках волновода; скин-эффект; граничное условие Леонтовича; поверхностный импеданс стенки.

2.5. Описание главных (ТЕМ) волн в линии передачи в терминах тока и напряжения. Эквивалентные погонные параметры и волновое сопротивление линии. Телеграфные уравнения. Отражение волны от нагрузки; преобразование импедансов; согласование линии с нагрузкой.

2.6. Линии передачи, направляющие медленные (поверхностные) волны. Классификация замедляющих систем. Волны в диэлектрическом слое и в круглом диэлектрическом стержне; волоконный световод. Поверхностная волна над ребристой металлической структурой.

2.7. Поля, создаваемые в линиях передачи сторонними монохроматическими токами. Расчет амплитуд возбуждаемых волн с помощью леммы Лоренца. Поля внутри и вне области источников. Способы возбуждения волноводов.

Раздел 3. Электромагнитные колебания в полых резонаторах.

3.1. Общая постановка задачи о собственных колебаниях в резонаторах с идеально проводящими стенками. Основные свойства полей нормальных (собственных) колебаний; действительность спектра собственных частот; равенство средних значений электрической и магнитной энергии; соотношения ортогональности.

3.2. Резонаторы, представляющие собой отрезки линий передачи. Структура поля и спектры собственных частот колебаний в прямоугольном, цилиндрическом и коаксиальном резонаторах. Квазистационарные резонаторы. Поля и собственные частоты тороидального и магнетронного резонаторов.

3.3. Затухание собственных колебаний в резонаторах. Расчет декрементов затухания, обусловленного потерями энергии в заполняющей среде и в стенках резонатора. Добротность колебаний.

Раздел 4. Возбуждение волноводов и резонаторов заданными источниками.

4.1. Лемма Лоренца и теорема взаимности для монохроматического электромагнитного поля, создаваемого произвольными системами электрических и магнитных токов.

4.2. Поля, создаваемые в линиях передачи сторонними монохроматическими токами. Представлений полей в виде суперпозиции собственных мод. Расчет амплитуд возбуждаемых волн с помощью леммы Лоренца. Поля внутри и вне области источников. Способы возбуждения волноводов.

4.3. Вынужденные электромагнитные колебания, возбуждаемые сторонними монохроматическими токами в полых резонаторах. Вихревые и потенциальные поля. Разложение вихревых полей по собственным модам резонатора. Резонансные спектры идеального и неидеального резонаторов. Способы возбуждения резонаторов.

Раздел 5. Элементы теории дифракции электромагнитных волн.

5.1. Общая постановка задачи дифракции. Классификация и краткий обзор точных и приближенных методов решения дифракционных задач. Длинноволновые и коротковолновые приближения. Понятия полного и дифференциального сечения рассеяния.

5.2. Приближение геометрической оптики. Понятие о лучах и лучевых трубках. Расчет амплитуды и фазы рассеянных волн на основании лучевых представлений. Ограничения метода геометрической оптики.

5.3. Принцип Гюйгенса-Френеля и основанные на нем приближенные методы решения дифракционных задач. Представление скалярного волнового поля в виде интеграла по поверхности (формула Кирхгофа). Приближение Кирхгофа в скалярных задачах дифракции.

5.4. Обобщение принципа Гюйгенса-Френеля на случай векторных полей. Поверхностные электрические и магнитные токи, эквивалентные тангенциальным компонентам полей на поверхности. Теорема единственности для монохроматических полей. Приближение Кирхгофа для векторного электромагнитного поля. Дифракция плоской волны на отверстии в экране и на дополнительном экране. Метод физической оптики (метод зеркальных токов) в задачах дифракции на проводящих телах больших размеров.

6. Лабораторный практикум

№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторной работы

1.

2

Моделирование волновых полей методом электролитической ванны.

2.

2

Измерение импедансов нагрузок при помощи измерительной линии

3.

2

Ферритовые устройства СВЧ диапазона

4.

2,3

Измерение параметров шестиполюсников

5.

3,4

Исследование отражательного клистрона

Предусмотрены в Радиофизическом практикуме.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Рекомендуемая литература

а) основная литература:

Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн. М., Наука, 1989, 544 с.

Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988, 440 с.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992, 664 с.

Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Советское радио, 1973,248 с.

Гольдштейн Л.Д., Зернов П.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Советское радио, 1971, 664 с.

Гильденбург В.Б., Миллер М.А. Сборник задач по электродинамике. М.: Физматлит, 2001, 168 с.

б) дополнительная литература:

Джексон Дж. Классическая электродинамика. М.: Мир, 1965, 704 с.

Пановский В., Филипс М. Классическая электродинамика. М.: ГИФМЛ, 1963, 432 с.

Терлецкий Я.П., Рыбаков Ю.П. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1990, 352 с.

Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Сборник задач по электродинамике. М.: Наука, 1970, 504 с.

8. Вопросы для контроля

Зависимость полей гармонической волны в линии передачи от продольной координаты и времени. Понятия частоты, продольного волнового числа, длины волны, фазовой и групповой скорости.

Волны типов ТЕ, ТМ и ТЕМ. Характеристический импеданс волны

Поперечное волновое числа. Дифференциальное уравнение для поперечных волновых функций, определяющих зависимость полей от поперечных координат.

Граничные условия для поперечных волновых функций и математическая формулировка задачи об отыскании полей собственных волн в линии передачи с идеально проводящими границами.

Дисперсионное уравнение для волн в идеальной линии. Понятия критической частоты. Режимы распространения и запирания волны.

Условие существования волн типа ТЕМ. Волна ТЕМ в коаксиальной и полосковой линиях.

Спектр поперечных волновых чисел прямоугольного и круглого волновода. Структура поля волн простейших типов в этих волноводах.

Затухание волн в волноводе, обусловленное потерями энергии в заполняющей среде и в стенках волновода.

Запись телеграфных уравнений для тока и напряжения в двухпроводной линии. Погонные параметры линии, волновое сопротивление.

Коэффициент отражения волны от нагрузки, формула преобразования импеданса, понятие согласования линии с нагрузкой.

Медленная (поверхностная) волна низшего типа в диэлектрическом слое; поперечная структура поля, характер дисперсии.

Спектр собственных частот идеального и неидеального прямоугольного резонатора. Низший тип колебаний.

Методы расчета затухания собственных колебаний в неидеальном резонаторе.

Методы расчета поля в резонаторах и волноводах, возбуждаемых внешними источниками.

Понятия полного и дифференциального сечений рассеяния тела в задачах дифракции плоской волны.

Метод геометрической оптики в теории дифракции волны на теле больших размеров.

Приближение Кирхгофа и метод физической оптики в задачах дифракции волны на проводящих телах больших размеров.

9. Критерии оценок

Превосходно

Превосходная подготовка с очень незначительными погрешностями.

Отлично

Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с некоторыми ошибками.

Очень хорошо

В целом хорошая подготовка с рядом заметных ошибок.

Хорошо

Хорошая подготовка, но со значительными ошибками.

Удовлетворительно

Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям.

Неудовлетворительно

Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения испытания.

Плохо

Подготовка совершенно недостаточная.



Страницы: 1 | 2 | Весь текст