МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. »
Радиофизический факультет
Кафедра электродинамики
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины М2.В3.03 «Электромагнитные волны в анизотропных средах»
по направлению 011800 «Радиофизика»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Содержание дисциплины направлено на углубленное ознакомление магистрантов с электромагнитными волновыми процессами в анизотропных и гиротропных средах, а также методами описания волновых полей в таких средах. Основной задачей лекционного курса является демонстрация общности описания волновых явлений в анизотропных и гиротропных средах различной природы.
2. Место дисциплины в структуре магистерской программы
Дисциплина «Электромагнитные волны в анизотропных средах» относится к дисциплинам по выбору студента вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика».
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
· способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
· способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);
· способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
· способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
· способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
В результате изучения курса студенты должны:
· знать основы электродинамики анизотропных и гиротропных сред и общие закономерности распространения волн в таких средах;
· уметь анализировать особенности распространения электромагнитных волн в кристаллах, средах с естественной оптической активностью и магнитоактивных средах;
· иметь представление об основах электродинамики направляющих систем с анизотропным заполнением.
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Виды учебной работы | Всего часов | Семестры |
Общая трудоемкость дисциплины | 72 | 10 |
Аудиторные занятия | 32 | 32 |
Лекции | 32 | 32 |
Практические занятия (ПЗ) | 0 | 0 |
Семинары (С) | 0 | 0 |
Лабораторные работы (ЛР) | 0 | 0 |
Другие виды аудиторных занятий | 0 | 0 |
Самостоятельная работа | 40 | 40 |
Курсовой проект (работа) | 0 | 0 |
Расчетно-графическая работа | 0 | 0 |
Реферат | 0 | 0 |
Другие виды самостоятельной работы | 0 | 0 |
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | зачет | зачет |
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции | ПЗ (или С) | ЛР |
1. | Введение | 1 | ||
2. | Основы электродинамики анизотропных сред | 7 | ||
3. | Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах | 10 | ||
4. | Распространение электромагнитных волн в средах при учете пространственной дисперсии | 3 | ||
5. | Распространение электромагнитных волн в магнитоактивных средах | 2 | ||
6. | Элементы теории распространения волновых пучков в анизотропных и гиротропных средах | 4 | ||
7. | Распространение волн при наличии направляющих систем с анизотропным заполнением. | 5 |
5.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Введение
Предмет и задачи курса. Анизотропия и гиротропия. Физические причины возникновения анизотропии и гиротропии. Примеры анизотропных и гиротропных сред. Магнитоактивные среды.
Раздел 2. Основы электродинамики анизотропных сред
2.1. Уравнения электромагнитного поля в среде и граничные условия.
2.2. Материальные уравнения электромагнитного поля в линейных анизотропных средах. Среды без пространственной дисперсии.
2.3. Энергия электромагнитного поля, мощность джоулевых потерь, вектор плотности потока энергии в анизотропной диспергирующей среде.
2.4. Лемма Лоренца и теорема взаимности в случае анизотропной среды. Транспонированное соотношение взаимности в средах с несимметричными тензорами проницаемости.
Раздел 3. Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах
3.1. Анизотропные среды без пространственной дисперсии. Кристаллические среды. Диэлектрическая проницаемость кристаллов. Диэлектрическая проницаемость изотропных тел и кристаллов в постоянном электрическом поле.
3.2. Плоские волны в анизотропных средах. Дисперсионное уравнение для плоских волн. Нормальные волны. Поверхности волновых векторов и лучевые поверхности. Взаимная ориентация волнового и лучевого векторов.
3.3. Волны в кристаллических средах. Уравнение Френеля. Показатели преломления и поляризация нормальных волн. Оптические свойства одноосных и двухосных кристаллов. Двойное лучепреломление. Коническая рефракция.
Раздел 4. Распространение электромагнитных волн в средах при учете пространственной дисперсии
4.1. Представление тензора диэлектрической проницаемости в случае слабой пространственной дисперсии и связь его свойств с типом симметрии среды.
4.2. Естественная оптическая активность (естественная гиротропия) и условия ее существования. Тензор диэлектрической проницаемости изотропной гиротропной среды. Вектор гирации и вектор оптической активности. Распространение волн в изотропной оптически активной среде (дисперсионное уравнение, показатели преломления и поляризация нормальных волн). Распространение волн в анизотропных оптически активных средах. Понятие об искусственных хиральных средах.
Раздел 5. Распространение электромагнитных волн в магнитоактивных средах
5.1. Материальные уравнения в магнитоактивных средах. Гироэлектрические среды. Тензоры комплексной диэлектрической проницаемости и комплексной проводимости газовой и твердотельной плазмы в постоянном магнитном поле. Гиромагнитные среды. Ферриты в постоянном магнитном поле.
5.2. Волны в магнитоактивной плазме.
а) Показатели преломления и поляризация нормальных волн при распространении вдоль и поперек внешнего магнитного поля. Эффекты Фарадея и Коттона–Мутона.
б) Показатели преломления и поляризация нормальных волн при распространении под произвольным углом к внешнему магнитному полю. Частоты отсечки и резонансные частоты.
в) Примеры поверхностей волновых векторов и лучевых поверхностей для различных частотных интервалов. Конус Стори.
5.3. Особенности распространения волн в магнитоактивной плазме в важных частных случаях.
а) Потенциальные (электростатические) волны и условия ихсуществования. Резонансный конус. Аналогия с магнитостатическими волнами в ферритах.
б) «Спиральные» волны (свистовое приближение). Свистовые волны в газовой плазме. Геликоны в плазме металлов и полупроводников.
в) Низкочастотные волны. Альфвеновские и магнитозвуковые волны в газовой и твердотельной плазме. Переход к магнитогидродинамическому приближению. Магнитогидродинамические волны.
Раздел 6. Элементы теории распространения волновых пучков в анизотропных и гиротропных средах
Угловой спектр плоских волн в анизотропной среде. Квазиоптическое приближение. Распространение волновых пучков в особых направлениях, отвечающих конусу Стори и конической рефракции в магнитоактивной плазме.
Раздел 7. Распространение волн при наличии направляющих систем с анизотропным заполнением.
7.1. Обзор важных для приложений случаев распространения электромагнитных волн в присутствии направляющих систем с анизотропным заполнением.
7.2. Обзор приближенных методов анализа анизотропных направляющих систем.
6.3. Примеры строго решаемых задач (волны, направляемые однородным анизотропным плоским слоем и однородным анизотропным цилиндром).
6. Лабораторный практикум
Не предусмотрен.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Рекомендуемая литература
а) основная литература
1. , Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 19с.
2. , , Теория волн. М.: Наука, 19с.
3. , , Основы электродинамики плазмы. М.: Высшая школа, 19с.
4. , , Плазма полупроводников. М.: Атомиздат, 19с.
5. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 19с.
б) дополнительная литература
1. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 19с.
2. , , Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука, 19с.
3. Волны и взаимодействия в плазме твердого тела. М.: Мир, 19с.
4. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М.: Наука, 19с.
5. , Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. М.: Наука, 19с.
8. Вопросы для контроля
1. Анизотропия и гиротропия. Физические причины возникновения анизотропии и гиротропии.
2. Материальные уравнения для анизотропных диспергирующих сред. Временная и пространственная дисперсия. Тензоры комплексной проводимости и комплексной диэлектрической проницаемости.
3. Плоские волны в анизотропных средах. Дисперсионное уравнение для плоских волн. Поверхность показателя преломления. Лучевой вектор. Лучевая поверхность.
4. Теорема о взаимной ориентации волнового и лучевого векторов в среде при отсутствии пространственной дисперсии.
5. Диэлектрическая проницаемость кристаллов. Диэлектрическая проницаемость изотропных тел в постоянном электрическом поле.
6. Дисперсионное уравнение для плоских волн в кристаллических средах (уравнение Френеля). Показатели преломления и поляризация нормальных волн.
7. Оптические свойства одноосных и двухосных кристаллов. Коническая рефракция.
8. Среды со слабой пространственной дисперсией. Разложение тензора диэлектрической проницаемости по степеням 
. Естественная оптическая активность и условия ее существования. Хиральные среды.
9. Волны в изотропной оптически активной среде (дисперсионное уравнение, показатели преломления, поляризация). Двойное круговое преломление нормальных волн.
10. Магнитоактивные среды. Тензор комплексной диэлектрической проницаемости газовой плазмы в постоянном магнитном поле.
11. Тензор комплексной диэлектрической проницаемости твердотельной плазмы в постоянном магнитном поле.
12. Плоские волны в магнитоактивных средах. Дисперсионное уравнение для плоских волн. Обыкновенная и необыкновенная волны.
13. Показатели преломления и поляризации нормальных волн в магнитоактивной плазме при распространении вдоль внешнего магнитного поля. Эффект Фарадея. Резонансные частоты.
14. Показатели преломления и поляризации нормальных волн в магнитоактивной плазме при распространении поперек внешнего магнитного поля. Гибридные резонансы.
15. Показатели преломления и поляризации нормальных волн в магнитоактивной плазме при распространении под произвольным углом к внешнему магнитному полю. Поверхности показателя преломления (примеры).
16. Условия существования потенциальных волн в гироэлектрических и гиромагнитных средах. Потенциальные волны в магнитоактивных средах.
17. «Спиральные волны» в магнитоактивных средах (свистовое приближение). Квазипродольное приближение для показателя преломления. Конус Стори.
18. Геликоны в замагниченной плазме металлов и полупроводников (продольное распространение).
9. Критерии оценок
Зачтено | В целом хорошая подготовка с некоторыми ошибками. |
Незачтено | Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения испытания. |
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Не предусмотрена.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по направлению 011800 «Радиофизика».
Автор программы_________________
Программа рассмотрена на заседании кафедры _4 апреля 2011_г. протокол № 25
Заведующий кафедрой ___________________
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии_________________
