- •Лекция 1. Fundamental concepts of electromagnetics. Electrostatics. (Начало электростатики)
- •Vectors and scalar fields. (Векторные и скалярные поля)
- •Electrostatic field. (Электростатическое поле)
- •Coulomb’s Law. (Закон Кулона)
- •Electric Field Strength e and Displacement Field d. (Напряжённость и смещение электрического поля)
- •Gauss’ Law. (Закон Гаусса)
- •Electric Potential. (Электрический потенциал)
- •Work in the electric field. (Работа в электрическом поле)
- •Dielectric polarization. (Диэлектрическая поляризация)
- •Dielectric material characteristics. (Характеристики диэлектриков)
- •Properties of dielectric materials. (Свойства диэлектрических материалов)
- •Poisson’s and Laplace’ s equations. (Уравнения Пуассона и Лапласа)
- •Лекция 2. Boundary conditions for the Laplace or Poisson equations (Граничные уравнения для уравнений Лапласа и Пуассона)
- •Electrostatic Energy (Электростатическая энергия)
- •Virtual experiment. (Эксперимент по нахождению энергии системы)
- •Consequences (Следствия)
- •Continuity Equation (Уравнение непрерывности)
- •Лекция 3. Static magnetic field (Статическое магнитное поле)
- •Variables and units (Переменные и единицы измерения)
- •Main Relations (Основные соотношения)
- •Magnetic flux density (Индукция магнитного поля)
- •Biot-Savart’s law (Закон Био-Савара)
- •Ampere’s law (Закон полного тока)
- •Scalar magnetic potential (Скалярный магнитный потенциал)
- •The cut in the space (Разрез в пространстве)
- •Laplace equation for the scalar magnetic potential (Уравнение Лапласа для скалярного магнитного потенциала)
- •Vector magnetic potential (Векторный магнитный потенциал)
- •Magnetic flux (Магнитный поток)
- •Differential equation for the vector magnetic potential (Дифференциальное уравнение для векторного магнитного потенциала)
- •Gauging of the vector magnetic potential (Калибровка векторного магнитного потенциала)
- •Integral presentation of the vector magnetic potential (Интегральное представление векторного потенциала)
- •Inductance (Индуктивность)
- •Mutual inductance (Взаимная индуктивность)
- •Inductance of thin contours (Индуктивность тонких контуров)
- •Field intensity inside a cylindrical conductor (Напряжённость поля внутри цилиндрического проводника)
- •Лекция 4. Method of images (метод зеркальных изображений)
- •Equivalent charge density (эквивалентная плотность заряда)
- •Method of images for cylindrical boundaries between dielectrics (метод изображений цилиндрических границ между диэлектриками) Problem formulation (постановка задачи)
- •The inverse point (обратная точка)
- •Normal component of the field intensity (нормальная составляющая напряжённости поля)
- •Geometrical relations (геометрические соотношения)
- •Angles (углы)
- •Field induced by the line sources (поле, индуцированное линейными источниками)
- •The field sources for the external domain (источники полей для внешней области)
- •The field sources for the internal domain (источники полей для внутренней области)
- •Image method for the flat boundary between magnetic media (Метод изображений для плоской границы между магнитными носителями)
- •Equivalent magnetic charge density (Эквивалентная плотность магнитного заряда)
- •Dependence of the field intensity on the coordinate (Зависимость напряжённости поля от координаты)
- •Inductance of the two-wire transmission line per unit length (Индуктивность двухпроводной линии передачи на единицу длины)
- •Total inductance (Общая индуктивность)
- •Forces. The first line. (Силы. 1ая линия)
- •Forces. The second line. (Силы. 2ая линия)
- •Лекция 5. Solution of Laplace’s equation by separation of variables. (Решение уравнения Лапласа методом разделения переменных) Application of Laplace’s equation (Применение уравнения Лапласа).
- •Choice of a coordinate system (Выбор системы координат)
- •Variable separation in cylindrical coordinates (Разделение переменных в цилиндрических координатах)
- •Angular function (Угловая функция)
- •Radial function (Радиальная функция)
- •General solution of the Laplace’s equation in a cylindrical coordinate system (Общее решение уравнения Лапласа в цилиндрической системе координат)
- •Application of the variable separation method for the magnetic field modeling (Применение метода разделения переменных для моделирования магнитного поля)
- •Reduced scalar magnetic potential (Редуцированный скалярный магнитный потенциал)
- •Combination of scalar magnetic potential and reduced magnetic potential (Комбинация скалярного магнитного потенциала и редуцированного магнитного потенциала)
- •The scalar potential induced by the current line (Скалярный потенциал, индуцируемый линией тока)
- •The current potential in the cylindrical coordinate system (Потенциал от линии с током в цилиндрической системе координат)
- •The current potential in the complex plane (Потенциал от линии с током в комплексной плоскости)
- •Expansion of the current potential in the cylindrical coordinate system (Разложение потенциала от линии с током в цилиндрической системе координат)
- •Potentials in the problem domain (Потенциалы в проблемной области)
- •Inductance of the two-wire transmission line per unit length (Индуктивность двухпроводной линии передачи на единицу длины)
- •The flux induced by the magnetized cylinder (Поток, индуцируемый намагниченным цилиндром)
- •Лекция 6. Time dependent electromagnetic fields (Зависящие от времени электрические поля)
- •Faraday’s Law (Закон электромагнитной индукции)
- •Lenz’s Law (правило Ленца)
- •Induction by a temporal change of b (Индукция за счёт временного изменения b)
- •Induction through the motion of the conductor (Индукция за счёт движения проводника)
- •Induction by simultaneous temporal change of b and motion of the conductor (Индукция одновременным изменением во времени b и движением проводника)
- •Unipolar generator (Униполярный генератор)
- •Hering’s paradox (Парадокс Геринга)
- •Periodic electromagnetic field in the conductors. (Периодическое электромагнитное поле в проводниках)
- •Penetration of the electromagnetic field into a conductor. (Проникновение электромагнитного поля в проводник)
- •The skin effect. (Скин-эффект)
- •Poynting’s Theorem. (Теорема Пойнтинга) Electromagnetic Field Energy. (Энергия электромагнитного поля)
- •The rate of decrease of the electromagnetic field energy in a closed volume. (Скорость уменьшения энергии электромагнитного поля в замкнутом объёме)
- •Energy flows in the electromagnetic field (Поток энергии в электромагнитном поле)
- •Transmission of energy in a dc line (Передача энергии в линиях постоянного тока)
- •Transmission of energy in a dc line (Передача энергии в линиях постоянного тока)
- •The field picture near the wires with current (Картина поля вблизи провода с током)
- •Energy flows in static fields (Поток энергии в статических полях)
- •The momentum of the electromagnetic field (Момент электромагнитного поля)
- •The momentum of the electromagnetic field (Момент электромагнитного поля)
- •Лекция 8. Numerical Methods of the Electromagnetic Field Modeling. (Численные методы моделирования электромагнитного поля) Classification of the numerical methods (Классификация численных методов)
- •Classification of the problems (Классификация проблем)
- •Classification of the methods (Классификация методов)
- •Method of moments (Метод моментов)
- •Discretization of the problem domain (Дискретизация проблемной области)
- •Algebraic equation system (Алгебраическая система уравнений)
- •Finite element method (Метод конечных элементов)
- •Discretization (Дискретизация)
- •Finite functions (Ограниченная функция – отлична от нуля только в пределах треугольника)
- •Approximation of functions inside triangles (Аппроксимация функций внутри треугольника)
- •Approximation of the equation (Аппроксимация уравнения)
- •Weighted residual method (метод взвешенных невязок)
- •Galerkin method (метод Бубнова-Галеркина)
- •Weak formulation (ослабленная формулировка)
- •First type boundary conditions (Первый тип граничных условий)
- •The potential and field intensity (Потенциал и напряжённость поля)
Energy flows in the electromagnetic field (Поток энергии в электромагнитном поле)
The energy flows take place in the time dependent electromagnetic fields. We just have seen that Poynting’s theorem claims. If the electromagnetic field depends on time it may cross the surface and so the total energy that was concentrated inside the volume may decrease or may increase as well. But also, we shall see that in static field nevertheless energy flow exists. The energy transmitted along the wires of the line is propagated in the dielectric, as well as the energy emitted by the antenna. Wires and cables only serve as guide for this energy.
Now, let’s consider two wire transmission lines which is loaded and the load is a resistor.
We should consider an electromagnetic field which is induced by all these wires. ∂W over ∂t (∂W/∂t). By the way in this case, in principle does not matter the time dependence of this current, it may be static current which does not depend on time but may be current that changes in time. According to the Poynting’s theorem ∂W/∂t may be expressed in this form.
What is V and S? We shall surround the space with the resistor in the load by the surface S and everything which is inside will be volume V. So, what we shall have inside the volume? The first term corresponds to the power losses inside the conducting material and that will be the resistor. Also, we should take in account that energy of the electromagnetic field may cross the surface which is described by this area S and this first term with V. We can find or we can express this integral from the Poynting vector as the sum of these two components:
.
So, we can conclude that increase in the electromagnetic field energy stored inside the volume and release of the thermal energy in the line wires and the load can occur only due to the influx of electromagnetic energy which enters this volume, which crosses this area S. If the current is static then the field distribution inside that volume will be constant. So ∂W/∂t will be equal to zero as well. In this case all energy which is dissipated (рассеянный) in this resistor will cross this surface and may be calculated as a vector product of E and H. The dissipated energy of this element can be very small, let’s neglect the energy, which is dissipated inside the wires, but the energy comes not through the wires, but through the space which surrounds these wires, lines here is only "subguides" (вспомогательные направляющие), guides along which the energy of the electromagnetic fields propagates (распространяется) and change their position.
Transmission of energy in a dc line (Передача энергии в линиях постоянного тока)
All the energy entering the volume V through the surface s is released as heat in the receiver. The energy of the electromagnetic field released in the conductor in the form of heat penetrates them through the surface of these conductor. In this case we shall not neglect the resistivity of the wires themselves like we have done in the previous case. In such a case when we shall consider only some part of the transmission line, only some sample. And we can say that the energy which is dissipated inside the wire should be exactly equal to the energy which crosses the area of the cylinder which is a part of the wire. The right part its energy that dissipated inside. It might be expressed as squared current and resistance of this part of the wire. Here we assume that the current is distributed uniformly of the cross section of this wire and this power losses should be identical to this:
.
Magnetic field, induced by the wire, circulate around this wire, the field intensity, if there is some voltage applied to this wire, may be split into two parts. One part is the field which is normal to the surface of this wire, and the component of electric field which is parallel to the wire. This component must exist because the Ohm’s Law here is Eτ is equal to J/γ and so we shall consider both vectors: H, just circulate around the surface, that’s why in this point it is directed like it shown here, and Eτ, and we can see that these two vectors initiate a flow of the energy just inside the wire. So, in such a case energy crosses the cylindrical border of this wire and enters and then disperse inside the wire, it is transformed to the serval (хоть убей, я сам не понял, что он говорит) energy. In principle, it is easy to find exact expression of these vectors if you transform these reflections into the formulas. S - the Poynting’s vector, is E cross H (S=E x H) they are normal to each other that’s why we can simply multiply H and Eτ. H is the field which is induced by very long wire its current I/(2πr) (r0 is a radius of this wire). I·R/l – is the resistance of the wire. I2·R is Power, 2π·r0·l is an area of this surface. So, finally we get relations which is – energy which crosses the surface of the wire is the energy which is dissipated inside the same wire.