Прогресс в сфере инновационных технологий, новейших инфокоммуникационных систем, возникновение современных видов вооружений связаны с надобностью решения таких серьезных проблем, как минимизация утечки важной информации по электромагнитному каналу и защитой всех объектов от электромагнитного излучения в пределах сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ).
Прикладная электродинамика – это база для многих дисциплин в физике, которые изучают управление и защиту связи физических объектов от несанкционированного доступа, следовательно, основной целью данного направления является освоение основных теорий электромагнитного поля и современных способов решения краевых задач электродинамики для базовых частей СВЧ.
На сегодняшний день ученые выделяют такие основные задачи прикладной электродинамики:
- предоставление электродинамической классификацию физических сред;
- формирование обобщенных материальных уравнений;
- изучение основ теории электромагнитных полей в направляющих резонаторах, а также исследование излучения физических тел;
- определение главных элементарных излучателей;
- ознакомление с современными методами решения задач при изучении принципов работы и способов измерения параметров основных узлов и устройств СВЧ и КВЧ диапазонов.
Сторонние токи в электродинамике
Многочисленные исследование собственных волн в постоянных линиях передачи считается в прикладной электродинамике необходимым первым этапом расчета. Но в любой действующей системе в обязательном порядке должен быть источник возбуждения электромагнитного поля в линии, а также конкретные устройства, принимающие и систематически преобразующие электрический потенциал. Вторым этапом является вычисление методов функционирования поля, которое формируется в линии передачи основными источниками электромагнитных волн, что называют ключевой задачей возбуждения линевой передачи.
Из уравнений Максвелла образующими элементами полей выступают постоянные электрические токи с определенной плотностью, которые действует по такой схеме:
- первое слагаемое силами электромагнитного поля активирует другие элементы в рассматриваемой системе, однако не оказывает на них влияния;
- затем токи принимают заданное направление в расчете и помогают учесть все частицы неэлектромагнитного происхождения — от механических и химических до прочих источников;
- сторонние токи замыкают систему, которая больше не возникает в передаче линий электромагнитного тока.
Слагаемая плотность вторичного тока зачастую определяется методами взаимодействия электромагнитного поля с постоянными токами. Элементы аналогичного типа учитываются учеными при описании исследуемого процесса в материальных средах, особенно действие поля в металлах. Другим ярким примером вторичного тока считается процесс, который происходит в стенках волновода при распределении собственной волны, которая выполняет совершенно иную задачу в условиях материальной границы. Надобность введения стороннего тока в правую часть формул Максвелла во многих случаях отсутствует.
Фактом действительности магнитного активного диполя в СВЧ диапазоне служит небольшая по сравнению с основной длиной волны петля, по которой постоянно течет СВЧ ток. Магнитный момент указанного элемента и сам вектор плотности тока перпендикулярен плоскости волновой петли.
Электростатика действующих проводников и диэлектриков
Все существующие в пространстве твердые физические тела, жидкости, плазма и газы могут быть условно разделены по определенным электрическим свойствам на две огромные группы: диэлектрики и проводники.
Проводящими называются среды, которые посредством действия электрического поля способны вызвать движение положительно заряженных частиц. Вероятно, что в постоянном электрическом поле такое незатухающее явление совершать могут только свободные заряды, не связанные в границах атомов или молекул, следовательно, способные трансформироваться в любой объём тела.
В металлах и полупроводниках подобными элементами являются электроны регулярной проводимости, в электролитах отрицательно и положительно заряженные ионы, в плазме ионы и электроны. В диэлектриках действующие электрические заряды напрямую связаны и могут существовать только в пределах молекул атомов. Такие заряды не способны обеспечить необходимого электрического тока в теле, поэтому излечение электрики в этих веществах носит исключительно знакопеременный характер.
Стоит отметить, что само название «электростатический» уже предполагает постоянство электрическое поле во времени. Однако для движущихся проводников при этом нужно сделать главное уточнение: в границах электростатики предполагается, что в физическом теле обязательно отсутствует постоянный ток. Таким образом, возникают изолированные проводники, которые не соединены с какими-либо внешними факторами и цепями, в результате чего происходит протекание тока. Иначе электростатический процесс возможно определить, как ситуацию с действием постоянного поля без потоков энергии.
Электростатическое поле проводников в прикладной электродинамике функционирует вне зависимости от величины удельной проводимости материала, постоянный ток в котором равен нулю.
Действительно, в ином случае по проводнику, в соответствие с теоремой Ома, протекал бы ток. В объеме физического тела возникала бы диссипация электромагнитной энергии, то есть трансформация ее в определенное вещество, восполняемая общим потоком энергии от поверхности электромагнитного поля.
Постоянное магнитное поле и электрический ток в прикладной электродинамике
Говоря о постоянном токе, протекающем в некоторой среде, по-прежнему можно предполагать, что все величины, фигурирующие в уравнениях Максвелла, усредненных по «физически бесконечно малым» объемам среды, не зависят от времени. Однако теперь, в отличие от электростатического случая, получается, что усредненная плотность потока зарядов отлична от нуля. Величину j называют плотностью электрического тока.
Поскольку средняя плотность зарядов в условиях задачи постоянна, следовательно, электрическое поле внутри проводника также постоянно, является безвихревым. К уравнениям следует добавить показатели, связывающие внутри среды величины $E$ и $j$. Вид указанного соединения определяется свойствами среды. Для подавляющего большинства материалов эта связь линейна, что составляет сущность закона Ома.
Система уравнений и граничные условия для магнитного поля при отсутствии сторонних токов по форме точно такие же, как для электрического поля в диэлектрике без сторонних зарядов (отличаясь заменой $Е$ на $Н$ и $D$ на $B$).
При этом магнитное поле является безвихревым, и теперь через тело протекает постоянный во времени ток, такой, что в произвольном поперечном сечении тела. Величина в этом случае называется плотностью тока проводимости.
Распределение тока проводимости по объему физического тела определяется уравнениями, в которые не входит магнитное поле, в том числе, и создаваемое самим током проводимости. Действительно, известно, что магнитное поле мало влияет на проводимость подавляющего большинства твердых тел. Причина этого заключается в малой скорости движения носителей заряда в таких телах, и, соответственно, малости действующих на них релятивистских магнитных сил.
