научная статья по теме ПОЛУЦИЛИНДР С ПОЛОСТЬЮ НА ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩЕЙ ПЛОСКОСТИ ВБЛИЗИ ЛИНЕЙНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЦИЛИНДР С ПОЛОСТЬЮ НА ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩЕЙ ПЛОСКОСТИ ВБЛИЗИ ЛИНЕЙНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 1, с. 3-13

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

УДК 537.876

ПОЛУЦИЛИНДР С ПОЛОСТЬЮ НА ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩЕЙ ПЛОСКОСТИ ВБЛИЗИ ЛИНЕЙНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ © 2015 г. Т. И. Бичуцкая, Г. И. Макаров

Санкт-Петербургский государственный университет Российская Федерация, 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, ул. Ульяновская, 3

E-mail: tib@niirf.spbu.ru Поступила в редакцию16.07.2014 г.

Двумерная задача для поля нити диполей, размещенной вблизи полуцилиндра, содержащего полость и расположенного на идеально проводящей плоскости, решена с использованием теоремы об отражении и конформного преобразования двухсвязной области. В квазистатическом приближении получены выражения для поля линейного источника и исследованы закономерности функции влияния неоднородности при смещении полости различной кривизны внутри полуцилиндра.

DOI: 10.7868/S0033849415010027

ВВЕДЕНИЕ

Для решения ряда двумерных задач в приближении квазистатики использование аппарата конформных преобразований оказывается весьма эффективным [1—3]. В результате строгого решения электростатической задачи получены аналитические выражения для поля при наличии осесиммет-ричных неоднородностей, выступающих из полупространства. В рассмотрение введена функция влияния неоднородности, позволяющая распространить результаты квазистатики на дальнее поле. Воздействие неоднородности на дальнее поле определено при помощи асимптотики функции влияния, найденной по ближнему полю. Включение асимптотики в эквивалентный дипольный момент источника позволяет решать задачу Зоммерфельда без неоднородности с произвольными свойствами нижнего полупространства.

Описанный подход к решению двумерных задач с осесимметричной неоднородностью в приближении квазистатики был также развит в задаче двух тел: двух полуцилиндров, расположенных на идеально проводящей плоскости и имеющих произвольные свойства [4]. В указанной работе получены выражения для электрического поля и исследована функция влияния для произвольного расстояния между полуцилиндрами различной кривизны. При сближении полуцилиндров было обнаружено возрастание поля вблизи поверхности полуцилиндра, несущего источник. Причина этого возрастания не была выяснена в [4], обсудим ее ниже на примере рассматриваемой задачи.

В данной работе продолжим изучение задачи двух тел и решим задачу о вложенном полуцилин-

дре. Исследуем поле нити электрических диполей (ЭД), размещенной вблизи полуцилиндра, содержащего полость и расположенного на идеально проводящей плоскости. Функцию влияния изучим для различных смещений полости произвольного размера внутри полуцилиндра. Исследуем распределение плотности индуцированных зарядов на поверхности внешнего полуцилиндра и обсудим его связь с возрастанием поля вблизи поверхности полуцилиндра. Дипольные моменты источников, расположенных вблизи внешнего полуцилиндра или внутри полости, полагаем направленными как ортогонально (вертикальный электрический диполь (ВЭД)), так и параллельно (горизонтальный электрический диполь (ГЭД)) идеально проводящей плоскости.

1. ПОТЕНЦИАЛ И ПЛОТНОСТЬ ИНДУЦИРОВАННЫХ ЗАРЯДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУЦИЛИНДРА

Рассмотрим сначала электростатическую задачу для поля нити точечных зарядов расположенной на вершине одного из полуцилиндров, а затем перейдем к полю дипольных источников. Оси полуцилиндров с радиусами г1, г2 и относительной диэлектрической проницаемостью ех, е2 полагаем расположенными на некотором расстоянии х0 друг от друга (рис. 1а). Согласно теореме об отражении задача сводится к определению поля двух симметрично расположенных нитей точечных зарядов в среде с диэлектрической проницаемостью е0, содержащей цилиндр со смещенной цилиндрической полостью.

БИЧУЦКАЯ, МАКАРОВ (а)

(б)

Рис. 1. Полуцилиндр с полостью на идеально проводящей плоскости (а) и геометрия задачи на плоскости конформного переменного (б).

В плоскости г = х + 1у поперечного сечения цилиндров воспользуемся конформным преобразованием

w = .

(1)

г - Z2

где w = и + ¡У; г1, г2 — точки, принадлежащие линии центров обеих окружностей и симметричные

одновременно относительно них [5]: г1г2 = г1 ,

(г1 - х0)(г2 - х0) = г2. В полярных координатах связь (1) между переменными w = Я ехр(/ф), г = г ехр(г'у) в обозначениях г± = г1 ± г2 имеет вид

2 r2 - 2z1r cos у + Zi2

R =

2 о , 2 -

r - 2z2r cos у + z2

2 = z2R2 - 2ziz2Rcos ф + zj R2 - 2R cos ф + 1 '

z_r sin у r2 - z+r cos у + z1z2 z R sin ф

(2)

tg9 =

tgy

z2R - z+R cos ф + z1 Положение точек z1, z2 в терминах параметров

Xn

представим в виде

Y = r2/ri, (y < 1)

и sin a =

zi'2

ri(1 - Y)

= /1(1 + y) x 2sina

1 +1—Y sin2 a ± cos a 1 - 1—Y

2

sin a

(3)

(x

- r2 ) -

В результате преобразования (1) две эксцентрические окружности на плоскости г перейдут в концентрические на плоскости w (рис. 1б) с радиусами

Ri =

riz -

2 2 ri - z 2

' R2 =;

/2z -

rl - (Xn - z2)2

(4)

При этом область между обеими окружностями

г < гъ л] г2 - 2гх0 ео8 + х2 > г2 переходит в область кольца Я2 > Я > Я1, внутренний круг

— во внешнюю область

i

r2 - 2rxn cosy + x0

< r2

Я > Я2, внешняя область г > г1 — во внутренний круг Я < Я1. Используя представление (3), выразим радиусы Я1 и Я2 (4) через параметры а и у:

Я1

= 1 + Y ,

2 sin a

1 ± -—Y sin2 a + cos a 1 - 1—Y

■ 2

sin a

1 + Y V U + Yy

Заметим, что при малых а из (5) следует

(5)

Ri

R

1 + у sin a

1 + y

1 --

Y

Y sin a

1 -

(i + y)2 1

2

rsin a

(i + y)2

2

;sin a

(6)

1+ Y \ ч1 + YУ

Здесь параметр а определяет расстояние между осями полуцилиндров, его величина меняется от малого положительного значения а > 0 при очень близком расположении осей полуцилиндров (х0 > 0) до а = я/2 при касании полуцилиндров

так что для a ^ 0 имеем соотношение радиусов R2 > R1 > 1. В другом предельном случае, при касании полуцилиндров, параметр a ^ я/2 и радиусы цилиндров (5) принимают значения, близкие к 1:

1 + -Jy cos a, R2 « 1 + cos аД/Y-

Ri

(7)

Потенциал поля источника в исходном физическом безграничном пространстве Ф0 = —^^— 1п |г -

в переменных w, где z - Zt = = z -

2яб0 w - wI

(1 - w)(1 - wl)

со-

гласно (1), принимает вид Ф0 = Ф01 + Ф02. Здесь с Учитывая коэффициенты (10), для потенциала Ф1

точностью до произвольной постоянной -ln\w - w\ = -

в области R > R получим следующее выражение:

ф01 = -Лс_

2ns0 2ns0

да

lnRi + У-cosm(p - ф,)Rm/R™,R < R,

ф1

2ns0

" 1 Rm

ln R + У--—cosm(m - m.):

У mRm ^ T

m=1

да

m

(8)

1 +

m=1

n 2m <*2m

R_a1 + a 2Z

r 2m

R1 1 + a1a 2Z _

(11)

lnR + У—cosm(p-p,) R™/Rm,R > R, m

m =1

w - w,

а для потенциала Ф — выражение, аналогичное (11), в котором R = 1, ф;-= 0. Здесь £ = К2.

.--Полное представление потенциала с учетом двух

¡\-у]R2 + К2 - 2RR со8(ф-ф;) в полярных симметрично расположенных источников согласно теореме об отражении в обозначениях = ф ± ф;- получим в виде

координатах. Второе слагаемое Ф02, обеспечива

ющее ограниченность потенциала Ф при ^ да (г ^ г2), имеет также вид (8) с К = 1, ф;- = 0. Потенциал полного поля удовлетворяет уравнению Пуассона, граничным условиям

Ф+

Ф = У -(cos тф_ - cos тф+): 2ns0 , m

m=1

s(k) дФ(к)

ф(к)| = ф Ir=R,

(k+1)|

'-к-1"

dR

дф

R=Rk (k+1)

R=Rk

dR

(9)

R=Rk

rKr1 a + a2Z

nm nm , ^

R1 R1 1 + a1a 2Z

2m

2m

+

, R < R < R1

r.™

Rm

Rm

—, R < R < R1

R m 1

(12)

на границах раздела (к = 1,2), условию ограниченности решения при К = 0 (г ^ г1) и при К ^ да (г ^ г2). Представим потенциал в обла-

Отметим, что в частном случае полуцилиндра без полости (б1 = б2, а 2 = 0) выражение (12) сводится к известному потенциалу поля четырех нитей точечных зарядов [6]. Действительно, выпол-

сти К < К1 в виде разложения Ф = Ф0 + ненное в этом случае суммирование по т в (12)

для области К < К < К1 приводит к выражению Ф =

+У(фm cosтф + Фm sinтф), гдес учетом потенци-

f

m=1

Q0

ала (8) радиальные функции имеют представление q0 cos mtyARm/Rm, R < Ri,

2nsn

, | W - Wi | , | W - W :

ln!-^+a1ln--

w - w.

Здесь |w - w,\ =

w - w* |

Фc = A Rm +

* m ¿-ю-* v I

Ф1 = CmRm +

2n&0 m {r1/Rm, R > R,

q0 sin mфi■ { Rm/Rm , R < R, 2ns0 m

{Rm/Rm, R > R.

В результате последовательного решения уравнений (9) получим коэффициенты разложения в q fln R, R < R,

= R2 - 2RR cos ф_ + R2, черта у wt означает комплексное сопряжение, w* = —ехр(;фг) — точка

Ri

расположения источника, симметричного исходному относительно окружности R = R1. Для расстояний |w - w,| согласно (1) справедливы соотношения

виде ф 0 = —

|w - w i|2 \z - Zi

4пе0 [ln R, R > R,

A _ q0a1 cos r™ a2 + a

hRhR

T%2m / -r}2m 1R2 /R1

2ns0

m

R2 + a1a 2 R1

* 2 _ 1 *

w - w* z - z*

hRhR*

(13)

ai _ ■

s 0 — 81

s 0 +81

C _ q0 sin m^j Rm a2 + a

Cm _ - Ri „9™

7) 2m / t) 2m 1R 2 /R1

(10)

2ns0 m ' R22m + a1a 2R2m

где h1

_\z - z 2I2

z * = ^Lexp( i^i),

является коэффициентом Ламе

m a 2

81 —s 2 . 81 + 8 2

преобразования (1) h =

dz

dw

w - J

lz - z2|2 z-

Ко-

x

aj

z

z

2

эффициенты НЯ,, кЯ> имеют тот же вид, что и НЯ при

соответствующей замене г = г, г = г*. С учетом приведенных соотношений потенциал (12) для полуцилиндра без полости в исходном физическом пространстве принимает вид известной суммы потенциалов поля четырех нитевидных источ-

(

ников: ф = —

#0

2nsr

1 z — Zi , ln|-^ + a! ln

|z — z;|

*

z — z*

—*

z — z¡

Изучим распределение плотности зарядов ст, индуцированых на поверхности внешнего полуцилиндра г = г1 (Я = Я1), согласно определениям

= 60Er\, Er =

1 дФ

h dR

. Продифференцируем

потенциал (12) и получим выражение

#o 1 -«i w

a = —

2п R1h

Ri

х ^Rim (cos тф_ — cos тф+)

i R1

m=1 1

где hR,

vRm

=1 R1m

_ z 2 |2r cos y- z+

2m

1 — a 2Z

1 + a1a 2Z2m

(14)

с учетом преобразова-

ния (1) и соотношения г1г2 = г1 . Отметим, что в случае идеально проводящего полуцилиндра (а1 = -1) свойства полости не влияют на распределение плотности зарядов (14), как и должно быть.

Используя в (14) разложение функции

(1 + а1а2т) в степенной ряд для ^ ^ 1 и выполняя суммирование по т, получим плотность зарядов в виде

q01 - a1 a = -—-1 х

2п R1hRi

да

х ^(-a1a2)"[S-1 - S+ - a2(^2 - $+2)], 2 - cosф_,+

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком