HMY331 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΕΔΙΑ Διδάσκων Δρ Γ. Η. Γεωργίου Μαθήματα Δευτέρα και Πέμπτη 10.30-12.00 π.μ. Σύστημα Αξιολόγησης 1. Τελική Εξέταση 60% 2. Ενδιάμεση Εξέταση 40% Κατοίκον εργασία 5 κατοίκον εργασίες καλύπτουν 4-5 διαλέξεις η κάθε μια Επιβοηθητικά μαθήματα θα παραδίδονται για την λύση ασκήσεων από την κατοίκον εργασία (Τα επιβοηθητικά μαθήματα θα δίδονται από τον Βοηθό Διδασκαλίας) Για περισσότερη βοήθεια Βοηθός Διδασκαλίας Βάσω Παρασκευά Ώρες Γραφείου: Τετάρτη 2.00-3.00 μμ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών Email: paraskeva.vasiliki@ucy.ac.cy Δρ Γ. Η. Γεωργίου Ώρες Γραφείου: Τετάρτη 3.00-4.00 μμ Γραφείο 413, 4 ος Οροφος, Green Park Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχ. Υπολογιστών Tel: 22892272, Email: geg@ucy.ac.cy Παρακαλώ ελέγχετε το email σας τακτικά Οι σημειώσεις θα είναι πάνω στην διεύθυνση του μαθήματος www.eng.ucy.ac.cy/ece331
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Electromagnetics with Applications Kraus/Fleisch McGraw-Hill International Editions 1999 0071164294 2. Engineering Electromagnetics Kenneth R. Demarest Prentice Hall International 1998 0138897832 3. Introduction to Electrodynamics David J. Griffiths Prentice Hall 1999 013805326X
ΣΤΟΧΟΙ Εισαγωγή των φοιτητών στις θεμελιώδεις έννοιες της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας για χαμηλές συχνότητες με παραδείγματα από την εφαρμοσμένη μηχανική ηλεκτρικής ισχύος Παρουσίαση και ανάπτύξη των εννοιών της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας για υψηλές συχνότητες και πιο ειδικά η εισαγωγή της έννοιας του κύματος, της ακτινοβολίας σε ανοικτά (π.χ. ελεύθερος χώρος) και κατευθυνόμενα συστήματα (γραμμές μεταφοράς και κυματοδηγοί) και τέλος των κεραιών Εκτίμηση σπουδαιότητας της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας στα πλαίσια της εφαρμοσμένης μηχανικής. ΓΝΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος οι φοιτητές θα είναι σε θέση να καταδείξουν γνώση και κατανόηση: Στις βασικές έννοιες της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας Στη διανυσματική άλγεβρα στο πλαίσιο των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων Στις ιδιότητες των στατικών και χρονικά εναλλασσόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων Στη φυσική έννοια των εξισώσεων του Μάξγουελ Στη μαθηματική περιγραφή των θεμελιωδών νόμων του ηλεκτρομαγνητισμού Στις αρχές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Στην εφαρμογή της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας στις γραμμές μεταφοράς, κυματοδηγούς και αντένες. Επίσης οι φοιτητές με το πέρας αυτού του μαθήματος θα μπορούν να: Προσδιορίσουν τους διαφορετικούς τύπους εξισώσεων που χαρακτηρίζουν τις ηλεκτρομαγνητικές διαδικασίες Διατυπώσουν τις εξισώσεις που περιγράφουν τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα και τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού Αναλύσουν την ηλεκτρομαγνητική θεωρία σε απλά συστήματα Εφαρμόσουν τις εξισώσεις του Μάξγουελ σε απλά προβλήματα Λύσουν τις διαφορικές εξισώσεις σε απλές περιπτώσεις
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ 1. Διανυσματικός Λογισμός Βαθμωτά και Διανυσματικά Μεγέθη Πρόσθεση, Αφαίρεση Διανυσματικών Μεγεθών Πολλαπλασιασμός o Εσωτερικό και εξωτερικό γινόμενο Διάνυσμα θέσης και απόστασης Σύστημα συντεταγμένων και μετασχηματισμός o Καρτεσιανές, κυλινδρικές και σφαιρικές συντεταγμένες Ολοκληρώματα o Επικαμπύλια o Επιφάνειας o Όγκου Τελεστής Ανάδελτα Κλίση Απόκλιση Θεώρημα της Απόκλισης Περιστροφή Θεώρημα του Stoke s Λαπλασιανό βαθμωτού και διανύσματος Εξίσωση Λαπλάς Ταξινόμηση διανυσματικών πεδίων o Σωληνοειδές o Αστρόβιλο (Συντηρητικό) 2. Ηλεκτροστατικά Πεδία Νόμος του Κουλόμπ Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου Ηλεκτρικό Πεδίο λόγω συνεχούς διανομής φορτίου o Επικαμπύλιο φορτίο o Φορτίο λόγω επιφάνειας o Φορτίο λόγω όγκου Πυκνότητα ηλεκτρικής ροής Νόμος του Γκάους Εφαρμογές νόμου του Γκάους Ηλεκτρικό δυναμικό Σχέση μεταξύ E και V
Ηλεκτρικό Δίπολο Ηλεκτρικές Γραμμές Ροής και Ισοδυναμικές επιφάνειες Πυκνότητα ενέργειας σε ηλεκτροστατικά πεδία Ηλεκτρικά πεδία σε υλικά Ρεύμα μεταφοράς και αγωγιμότητα Διηλεκτρική Σταθερά και δύναμη Οριακές συνθήκες Ηλεκτροστατικά προβλήματα οριακών συνθηκών o Εξίσωση Λαπλάς και Πουασόν Αντίσταση και Χωρητικότητα 3. Μαγνετοστατικά Πεδία Νόμος Μπιότ-Σαβάρτ Νόμος Αμπέρ και εφαρμογές o Άπειρο Επικαμπύλιο ρεύμα o Άπειρη επιφάνεια ρεύματος o Άπειρη ομοαξονική γραμμή μετάδοσης Πυκνότητα μαγνητικής ροής Εξισώσεις Μάξγουελ για στατικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία Μαγνητικά βαθμωτά και διανυσματικά δυναμικά Μαγνητικό δίπολο Μαγνητισμός στα υλικά Μαγνητικές οριακές συνθήκες Επαγωγέας και επαγωγή Μαγνητική ενέργεια 4. Εξισώσεις του Μάξγουελ Νόμος του Φάραντεϊ Μετασχηματιστής και κινητικά EMFς Ρεύμα Μετατόπισης Εξισώσεις του Μάξγουελ σε τελική μορφή Αρμονικά πεδία στο χρόνο Διάδοση Ηλεκτρομαγνητικών πεδίων Φάσμα Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Διάδοση κυμάτων σε διηλεκτρικό μέσο με απώλειες Επίπεδα κύματα σε διηλεκτρικά μέσα χωρίς απώλειες Επίπεδα κύματα σε ελεύθερο χώρο Γραμμική Πόλωση
Εγκάρσια Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα Επίπεδα κύματα σε καλούς αγωγούς Επιδερμικό Φαινόμενο Ισχύς και Διάνυσμα Poynting Αντανάκλαση επίπεδου κύματος σε κάθετη πρόσκρουση 5. Γραμμές Μετάδοσης, Κυματοδηγοί και κεραίες Γραμμές Μεταφοράς o Παράμετροι γραμμών μεταφοράς (R, L, C, G) o Εξισώσεις γραμμών μεταφοράς o Χαρακτηριστική αντίσταση γραμμής o Γραμμή Μεταφοράς χωρίς απώλειες o Σύνθετη αντίσταση εισόδου o Αναλογία στάσιμου κύματος o Μέση Ισχύς εισόδου o Συντελεστής αντανάκλασης τάσης o Συντελεστής αντανάκλασης ρεύματος o Βραχυκυκλωμένη γραμμή o Γραμμή με ανοικτό κύκλωμα o Προσαρμοσμένες γραμμές o Μετατροπέας ενός τετάρτου κύματος Κυματοδηγοί o Συχνότητα αποκοπής o ΤΕ, ΤΜ ρυθμοί λειτουργίας Αντένες o Δίπολο Hertzian o Κοντινό και μακρινό πεδίο o Δίπολο μισού κύματος o Κεραία μονόπολο ενός τετάρτου κύματος o Κεραία μικρού βρόγχου o Χαρακτηριστικά κεραιών ( Περίγραμμα Κεραίας, Ένταση ακτινοβολίας, Κατευθυντικό κέρδος, Κέρδος ισχύς, o Σειρές από κεραίες
ΜΕΡΙΚΕΣ ΠΡΟΤΡΟΠΕΣ Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία θεωρείται ως μια από τις σημαντικότερες θεωρίες στην ηλεκτρολογία. Ταυτόχρονα, για τους περισσότερους φοιτητές θεωρείται ως μια από τις δυσκολότερες σειρές μαθημάτων. Οι περισσότερες δυσκολίες παρόλα αυτά μπορούν να αποφευχθούν αν ακολουθηθούν ορισμένες συμβουλές οι οποίες φαίνονται πιο κάτω: 1. Δώστε ιδιαίτερη προσοχή στη διανυσματική ανάλυση, το μαθηματικό εργαλείο για αυτήν την σειρά μαθημάτων. Χωρίς καλή κατανόηση αυτού του μέρους του μαθήματος πιθανόν να έχετε προβλήματα με το υπόλοιπο του μαθήματος. 2. Μην προσπαθήσετε να απομνημονεύσετε πάρα πολλούς τύπους. Απομνημονεύστε μόνο τους βασικούς και προσπαθήστε να καταλάβετε πώς οι τύποι συσχετίζονται. Προφανώς, δεν υπάρχει ένας γενικός τύπος για την επίλυση όλων των προβλημάτων. Κάθε τύπος έχει μερικούς περιορισμούς λόγω των υποθέσεων που γίνονται στη λήψη του. Είναι σημαντικό να γνωρίζετε εκείνες τις υποθέσεις και να χρησιμοποιείτε τον τύπο αναλόγως. 3. Προσπαθήστε να προσδιορίσετε τους σημαντικούς όρους σε μια εφαρμογή ή ένα νόμο. Η γνώση της έννοιας αυτών των βασικών λέξεων είναι ουσιαστική για την κατάλληλη εφαρμογή του νόμου. 4. Προσπαθήστε να λύσετε όσα περισσότερα προβλήματα μπορείτε. Ο καλύτερος τρόπος να γίνουν κατανοητοί οι τύποι και να αφομοιωθεί το υλικό είναι με την επίλυση των προβλημάτων. ΚΑΛΗ ΕΠΙΤΥΧΙΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο ηλεκτρομαγνητισμός (Electromagnetics) είναι ένας κλάδος της φυσικής ή της ηλεκτρολογίας στον οποίο μελετώνται τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα. Μπορεί να θεωρηθεί ως μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ηλεκτρικών φορτίων σε στάση και σε κίνηση. Συνεπάγεται την ανάλυση, τη σύνθεση, τη φυσική ερμηνεία, και την εφαρμογή των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Οι ηλεκτρομαγνητικές αρχές βρίσκουν εφαρμογές σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας όπως τα μικροκύματα (microwaves), τις κεραίες (antennas), τις ηλεκτρικές μηχανές (electrical machines), τις δορυφορικές επικοινωνίες (satellite communications), τη βιοηλεκτρομαγνητική (bioelectromagnetics), τις οπτικές ίνες (fiber optics), την ηλεκτρομηχανική ενεργειακή μετατροπή (electromechanical energy conversion) και πολλές άλλες. Στη φυσική ιατρική, παραδείγματος χάριν, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, υπό μορφή μικροκυμάτων, χρησιμοποιείται για να θερμάνει βαθιούς ιστούς για διάφορους ιατρικούς σκοπούς. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία χρησιμοποιούνται στις θερμάστρες επαγωγής για την τήξη και λειτουργία συγκόλλησης. Ο διηλεκτρικός εξοπλισμός θέρμανσης χρησιμοποιεί τα μικροκύματα για να ενώσει ή να σφραγίσει τα λεπτά φύλλα των πλαστικών υλικών. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια προσφέρει πολλές νέες και συναρπαστικές δυνατότητες στη γεωργία. Χρησιμοποιείται, παραδείγματος χάριν, για να αλλάξει τη γεύση των λαχανικών με τη μείωση της οξύτητας. Οι ηλεκτρομαγνητικές συσκευές περιλαμβάνουν τους μετασχηματιστές, το ραδιόφωνο/τηλεόραση, το τηλέφωνο, τις ηλεκτρικές μηχανές, τις γραμμές μετάδοσης, τους κυματοδηγούς, τις κεραίες, τα ραντάρ, τα λέιζερ και άλλα. Η κατασκευή αυτών των συσκευών απαιτεί τη λεπτομερή γνώση των νόμων και των αρχών του ηλεκτρομαγνητισμού.