Учебная программа Дисциплины р8 «Электродинамика» по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии» Нижний Новгород 2011 г icon

Учебная программа Дисциплины р8 «Электродинамика» по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии» Нижний Новгород 2011 г


Смотрите также:
Учебная программа Дисциплины б4 «Алгоритмы и анализ сложности» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины р5 «Теория электрической связи» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б2 «Дискретная математика» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р11 «Квантовая теория» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р1 «Моделирование информационных процессов» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б9 «Компьютерные сети» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р12 «Квантовая и оптическая электроника» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б8 «Технологии баз данных» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины б7 «Дифференциальные и разностные уравнения» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б3 «Кратные интегралы и ряды» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б3 «Основы программирования» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р6 «Аппаратные средства вычислительной техники» по направлению...



Загрузка...
скачать
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 «Электродинамика»


по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии»


Нижний Новгород

2011 г.

1. ^ Цели и задачи дисциплины

Содержание дисциплины направлено на изучение теории электромагнитного поля и базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах математики, дифференциальных уравнений, методов решения уравнений в частных производных и физики.

Целями курса являются:

  • развитие и углубление знаний основ теории электромагнитного поля, закладываемых при изучении курса физики;

  • изучение особенностей возбуждения и распространения электромагнитных волн в сплошных средах.


2.^ Место дисциплины в структуре программы бакалавр

Дисциплина «Электродинамика» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии», преподается в 5 семестре.


3. ^ Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

  • способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования физических явлений, их теоретического и экспериментального исследования (ОК–10);

  • способность понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат, фундаментальные концепции и системные методологии (ПК–4);

  • способность в составе научно-исследовательского и производственного коллектива решать задачи профессиональной деятельности (ПК-5);

  • понимание концепций и абстракций, способность использовать на практике базовые математические, естественнонаучные и профессиональные дисциплины (ПК–15);

  • способность к разработке алгоритмических и программных решений при работе с физическими объектами, способность прикладного программирования; умение разрабатывать математические, информационные и имитационные модели по тематике выполняемых исследовательских и опытно-конструкторских работ и проектов (ПК–28);

  • знание способов передачи и приёма информации (ПК-2, ПК-29).


В результате изучения дисциплины студенты должны:

  • знать уравнения, описывающие электромагнитные явления, и вытекающие из этих уравнений основные закономерности поведения электромагнитного поля;

  • уметь анализировать основные особенности возбуждения и распространения электромагнитных волн в сплошных средах;

  • иметь навыки применения соответствующих знаний при решении конкретных электродинамических проблем.


4.^ Объем дисциплины и виды учебной работ

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.


Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

^ Общая трудоемкость дисциплины

180

5

Аудиторные занятия

85

85

Лекции

51

51

Практические занятия (ПЗ)

34

34

Семинары (С)





Лабораторные работы (ЛР)





Другие виды аудиторных занятий





Самостоятельная работа

59

59

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

2

2




2

Основные уравнения макроскопической электродинамики и общие свойства электромагнитных полей

8

2




3

Электростатика

8

9




4

Постоянные токи

2

2




5

Магнитостатика

6

3




6

Общее описание переменных электромагнитных полей

4






7

Электродинамика квазистационарных процессов

3

3




8

Электромагнитные волны в однородных средах

7

5




9

Электромагнитные волны в неоднородных средах

3

2




10

Излучение электромагнитных волн

8

6





5.2. Содержание разделов дисциплины


Раздел 1. Введение

    1. Основные этапы развития теории электромагнитного поля. Общий характер построения курса.

    2. Элементы векторного и тензорного анализа (краткая сводка основных формул и понятий). Скалярные, векторные и тензорные поля. Дифференциальные операции первого и второго порядков. Дифференциально-векторные тождества. Интегральные теоремы Грина. Криволинейные системы координат.


Раздел 2. Основные уравнения макроскопической электродинамики и общие свойства электромагнитных полей

2.1. Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной формах для полей, зарядов и токов в вакууме. Понятие напряженностей электрического и магнитного полей, плотностей тока и заряда. Постулаты, связывающие электромагнитные явления с механическими (выражения для плотности энергии поля и силы Лоренца). Пределы применимости уравнений классической электродинамики.

2.2. Макроскопические уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной формах для поля в материальной среде как результат усреднения микроскопических уравнений. Понятия векторов средних макроскопических напряженностей электрического и магнитного полей, электрической и магнитной поляризации и индукции.

2.3. Материальные уравнения для различных сред. Диэлектрическая и магнитная проницаемости, проводимость. Сторонние источники. Понятие временной и пространственной дисперсии. Ток и поляризация как результат воздействия полей на среду и как источник этих полей.

2.4. Граничные условия для тангенциальных и нормальных компонент векторов поля на границе раздела сред. Понятие поверхностных зарядов и токов.

2.5. Важнейшие общие свойства уравнений Максвелла и их решений. Скаляры, векторы и псевдовекторы в уравнениях Максвелла. Линейность уравнений и принцип суперпозиции решений. Обратимость уравнений во времени. Принцип перестановочной двойственности и эквивалентные магнитные источники.

2.6. Законы сохранения, вытекающие из уравнений Максвелла. Закон сохранения заряда (уравнение непрерывности). Закон сохранения энергии (теорема Пойнтинга). Вектор Пойнтинга и понятие потока электромагнитной энергии. Плотность электромагнитной энергии в среде без дисперсии. Джоулевы потери. Законы сохранения импульса и момента имульса.

2.7. Теорема единственности решения уравнений Максвелла при заданных начальных и граничных условиях.

2.8. Классификация основных типов электромагнитных явлений: электростатика, постоянные токи, магнитостатика, квазистационарные процессы, быстропеременные (волновые) поля.


Раздел 3. Электростатика

3.1. Уравнения электростатики для поля и скалярного потенциала. Граничные условия на поверхностях проводников и диэлектриков.

3.2. Общие теоремы электростатики: теорема единственности решения, теорема о минимуме и максимуме потенциала, теорема о неустойчивости системы зарядов, теорема взаимности.

3.3. Классификация задач электростатики, прямые и обратные задачи. Прямая задача электростатики для безграничной однородной среды. Функция Грина. Общее решение уравнения Пуассона. Потенциал простого и двойного слоя. Поле произвольной системы зарядов на большом расстоянии от нее. Разложение потенциала электростатического поля по мультиполям. Дипольный момент. Тензор квадрупольного момента.

3.4. Методы решения прямой задачи при наличии проводников и неоднородных диэлектриков (краевые задачи).

а) Конструктивные методы: металлизация эквипотенциальных поверхностей; метод изображений; метод заполнения диэлектриком.

б) Метод разделения переменных. Разделение переменных в уравнении Лапласа в декартовой, цилиндрической и сферической системах координат. Задача о диэлектрическом шаре в однородном внешнем электрическом поле.

в) Понятие о методе инверсии, методе конформных преобразований, методе возмущений.

г) Понятие о численных методах решения краевых задач электростатики.

3.5. Обратная задача электростатики.

3.6. Линейные соотношения между зарядами и потенциалами проводников. Потенциальные и емкостные коэффициенты.

3.7. Энергия электростатического поля. Представление в виде интеграла по области источников. Собственная энергия и энергия взаимодействия различных подсистем. Энергия взаимодействия внешнего поля с точечным зарядом и точечным диполем. Энергия системы проводников. Теорема Томсона о минимуме электростатической энергии.

3.8. Силы в электростатическом поле. Энергетический метод расчета обобщенных сил. Связь между вариацией энергии и работой в системе проводников с постоянными зарядами или постоянными потенциалами. Силы, действующие на заряд и диполь во внешнем поле; момент сил, действующих на диполь. Плотность силы, действующей на поверхность проводника. Пондеромоторная сила в диэлектрике. Сведение объемных сил к поверхностным натяжениям. Тензор поверхностных натяжений в среде.


^ Раздел 4. Постоянные токи

Уравнения теории постоянных токов в проводящей среде. Граничные условия для плотности тока. Понятие идеального электрода и идеального изолятора. Формальная аналогия с электростатикой; примеры ее использования для отыскания распределения тока в массивных проводниках. Понятие сопротивления. Закон Джоуля–Ленца. Токи в квазилинейных проводниках. Законы Кирхгофа.


Раздел 5. Магнитостатика

5.1. Уравнения, описывающие магнитное поле постоянных токов. Уравнение для векторного потенциала в однородной среде и его решение. Закон Био–Савара.

5.2. Поле произвольной системы токов на большом расстоянии от нее. Разложение векторного потенциала магнитного поля по мультиполям. Магнитный дипольный момент.

5.3. Скалярный потенциал магнитного поля. Магнитный листок как эквивалент линейного контура с током. Аналогия между магнитостатическими и электростатическими полями как проявление принципа двойственности. Методы решения краевых задач магнитостатики.

5.4. Поля, создаваемые намагниченными телами. Замена намагниченности эквивалентными электрическими токами или магнитными зарядами. Магнитные цепи. Явление сверхпроводимости. Сверхпроводники в магнитном поле.

5.5. Энергия и силы в магнитном поле. Представление энергии в виде интеграла по области источников. Энергия системы квазилинейных токов. Коэффициенты самоиндукции и взаимной индукции. Сила, действующая на элемент квазилинейного контура с током. Сила и вращающий момент, действующие на магнитный диполь. Пондеромоторная сила и тензор натяжений магнитного поля в среде.


Раздел 6. Общее описание переменных электромагнитных полей

6.1. Описание переменного электромагнитного поля в общем случае. Дифференциальные уравнения второго порядка для электромагнитных полей. Описание с помощью скалярного и векторного потенциалов. Калибровочная инвариантность. Калибровки Лоренца и Кулона. Волновые уравнения для потенциалов. Вектор Герца. Магнитные потенциалы.

6.2. Поля, гармонически зависящие от времени. Запись уравнений для полей и потенциалов в комплексной форме. Комплексная диэлектрическая проницаемость.

6.3. Комплексная теорема Пойнтинга. Теорема единственности решения уравнений Максвелла для гармонических полей.


Раздел 7. Электродинамика квазистационарных процессов

7.1. Квазистационарные процессы в проводящих средах. Распределение переменных полей и токов в проводящем полупространстве. Скин-эффект. Граничные условия Леонтовича. Энергетические соотношения при скин-эффекте.

7.2. Квазистационарные процессы в линейных цепях с сосредоточенными параметрами. Возможность пренебрежения запаздыванием передачи взаимодействия и выделение зоны квазистатики. Законы Кирхгофа для цепей с переменными токами.


Раздел 8. Электромагнитные волны в однородных средах

8.1. Плоская электромагнитная волна. Монохроматические плоские волны (однородные и неоднородные в поперечном направлении) в непоглощающей изотропной среде. Волны с комплексным волновым вектором. Понятия быстрой и медленной волн. Дисперсионное соотношение. Поляризация волны, длина волны, фазовая скорость, характеристический импеданс (волновое сопротивление) среды. Плотность потока энергии в плоской волне. Плоские волны в поглощающей среде.

8.2. Неоднородная плоская волна как суперпозиция двух однородных плоских волн. Дисперсионное соотношение, поляризация, длина волны, фазовая скорость, характеристический импеданс, плотность потока энергии. Конструирование поля в волноводе и колебаний в резонаторе из однородных плоских волн. Пример: волна типа ТЕ (Н) в прямоугольном волноводе; колебание типа ТЕ в прямоугольном резонаторе.

8.3. Волны в изотропных средах с временной дисперсией. Связь между индукцией и напряженностью поля. Квазимонохроматические процессы. Потери энергии в среде. Энергия монохроматического поля в среде с временной дисперсией. Распространение импульсного сигнала в среде с временной дисперсией. Групповая скорость и скорость энергии. Диффузионное уравнение для огибающей импульса. Расплывание импульса.

8.5. Общие закономерности распространения электромагнитных волн в средах с более сложными электродинамическими характеристиками.


Раздел 9. Электромагнитные волны в неоднородных средах

9.1. Отражение и преломление плоских волн на плоской границе раздела двух сред (формулы Френеля). Нормальное падение. Выражение коэффициента отражения через поперечные волновые импедансы. Формула пересчета импеданса. Наклонное падение. Случай s- и p-поляризаций. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение. Возникновение неоднородных плоских волн при полном отражении. Отражение от хорошо проводящей поверхности.

9.2. Общее представление об описании поля в средах с непрерывно меняющимися параметрами (плоские волны в плоскослоистой среде с плавно меняющимися параметрами; лучевое описание поля в плавнонеоднородных средах).


Раздел 10. Излучение электромагнитных волн

10.1. Излучение заданных источников в однородной изотропной среде. Функция Грина и общее решение неоднородного волнового уравнения. Запаздывающие потенциалы. Представление потенциалов в виде интегралов по области источников. Условие излучения.

10.2. Поля, создаваемые излучающими системами малых размеров. Дипольное приближение. Поле элементарного электрического вибратора (диполя Герца): общее выражение для поля, структура поля в квазистатической и волновой зонах, диаграмма направленности, сопротивление излучения. Поля излучения магнитного диполя и электрического квадруполя.

10.3. Представление поля излучения произвольной системы заданных гармонических токов в дальней зоне. Связь между угловым распределением интенсивности излучения и пространственным Фурье-спектром плотности тока. Характеристики направленности широкоапертурных излучателей.


^ Перечень тем практических занятий

  1. Векторный анализ.

  2. Основные уравнения теории электромагнитного поля. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Закон сохранения заряда. Закон сохранения энергии.

  3. Электростатика проводников и диэлектриков. Поля заданных источников в однородной среде; прямая и обратная задачи. Краевые задачи. Энергия и силы.

  4. Постоянные токи. Распределение полей и токов в проводниках. Аналогия с электростатикой.

  5. Магнитостатика. Поля заданных источников в однородной среде. Kраевые задачи.

  6. Квазистационарные процессы. Переменные поля в хороших проводниках; скин-эффект. Квазистатические поля.

  7. Плоские волны в однородных изотропных средах. Дисперсионные соотношения, структура поля, затухание. Волны и волновые пакеты в среде с дисперсией.

  8. Плоские волны в неоднородных средах. Отражение и преломление волн на плоской границе раздела двух сред.

  9. Излучение электромагнитных волн. Поля заданных токов в однородной изотропной среде. Поля электрического и магнитного диполей в квазистатической и волновой зонах. Поля излучения и диаграммы направленности простейших распределений линейных и поверхностных токов.


6. ^ Лабораторный практикум


№п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1.

7

Электромагнитное экранирование

2.

8

Замедляющие системы

3.

10

Рупорная антенна

4.

10

Спиральная волноводно-щелевая антенна с частотным качанием луча


7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература

а) основная литература:

  1. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989, 544 с.

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

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

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

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

  6. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989, 504 с.

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


б) дополнительная литература:

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

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

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

  4. Виноградова М.В., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1990, 432 с.

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

  6. Векштейн Е.Г. Сборник задач по электродинамике. М.: Высшая школа, 1966, 288 с.


8. Вопросы для контроля

  1. Уравнения Максвелла в дифференциальной и интегральной формах.

  2. Плотность энергии электромагнитного поля. Сила Лоренца.

  3. Граничные условия для тангенциальных и нормальных компонент полей. Материальные уравнения.

  4. Уравнение непрерывности в дифференциальной и интегральной формах.

  5. Теорема Пойнтинга. Вектор Пойнтинга. Мощность джоулевых потерь.

  6. Теорема взаимности в электростатике.

  7. Уравнение Пуассона и его решение для безграничного пространства.

  8. Потенциал и поле точечного заряда и точечного электрического диполя.

  9. Уравнение для векторного потенциала в магнитостатике и его решение для безграничного пространства. Закон Био–Савара.

  10. Поле бесконечного прямого провода с током. Потенциал и поле магнитного диполя.

  11. Энергия электростатического поля. Энергия взаимодействия заданного внешнего поля с точечным зарядом и точечным диполем.

  12. Определения емкости и коэффициентов взаимной и самоиндукции.

  13. Уравнения Максвелла в комплексной форме; комплексная диэлектрическая проницаемость.

  14. Уравнение непрерывности в комплексной форме.

  15. Толщина скин-слоя (глубина проникновения поля в проводник).

  16. Граничное условие Леонтовича.

  17. Запись выражений для поля однородной плоской волны в векторной форме и в проекциях на оси декартовой системы координат.

  18. Определения фазовой и групповой скоростей.

  19. Выражение для плотности энергии в диспергирующей среде.

  20. Уравнение диффузии для огибающей импульса.

  21. Выражения коэффициентов отражения и прохождения через поперечные волновые импедансы при нормальном падении волны на плоскую границу раздела двух сред. Формула пересчета импедансов.

  22. Законы отражения и преломления на плоской границе раздела двух сред (закон Снелля).

  23. Неоднородное волновое уравнение для векторного потенциала и его решение при гармонической зависимости от времени. Условие излучения.

  24. Неоднородное волновое уравнение для векторного потенциала и его решение при произвольной зависимости от времени в случае среды без дисперсии.

  25. Поле элементарного электрического диполя в зоне квазистатики (выражения для полей Е, Н в свободном пространстве, сдвиг фаз между ними, закон убывания амплитуд полей при удалении от диполя).

  26. Поля элементарного электрического и элементарного магнитного диполей в волновой зоне (выражения для полей Е, Н в свободном пространстве, взаимная ориентация электрического и магнитного полей, сдвиг фаз между ними, закон убывания амплитуд полей при удалении от диполя).

  27. Сопротивления излучения электрического диполя и круговой рамки с однородными распределениями тока в свободном пространстве.

  28. Диаграмма направленности излучения по мощности, сопротивление излучения, коэффициент направленного действия (КНД) излучателя (определения).

  29. Определение дальней зоны произвольной системы заданных гармонических токов. Выражение для векторного потенциала заданного распределения токов в дальней зоне. Вектор излучения.


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.


10. ^ Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Не предусмотрена.


Программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии»


Автор программы ___________ Кудрин А.В.


Программа рассмотрена на заседании кафедры 4 апреля 2011_г. протокол № _25_


Заведующий кафедрой ___________________ Кудрин А.В.


Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года

протокол № 05/10


Председатель методической комиссии_________________ Мануилов В.Н.




Скачать 174,2 Kb.
оставить комментарий
Дата21.05.2012
Размер174,2 Kb.
ТипПрограмма дисциплины, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх