- •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)
Finite functions (Ограниченная функция – отлична от нуля только в пределах треугольника)
Finite function inside the triangle may have different dependences. Everything depends on the value of the nodal potential.
There are three very special finite function:
F inite function associated with the first node:
Similar relations are valid for 2 other finite functions.
Finite functions for triangles = simplex coordinates (coordinates – because every point inside the triangle may be describe by certain value of finite functions, that is why the behavior of these functions is similar to coordinates).
Simplex coordinates
Two-dimensional simplex coordinates:
Another definition of the point position is a set of simplex coordinates
Really only 2 of 3 simplex coordinates are independent:
General relation for the simplex coordinates:
Approximation of functions inside triangles (Аппроксимация функций внутри треугольника)
Approximated function is the potential: U(x, y)
Electric field intensity
Potential inside a triangle (Wave sign means ‘approximation’):
Finite function:
Approximation of the field intensity:
Approximation of the equation (Аппроксимация уравнения)
Potential inside a triangle (Wave sign means ‘approximation’):
Finite function:
Equation:
If we substitute approximation of the potential into this equation we will lose information completely, because
Weighted residual method (метод взвешенных невязок)
This method is used to solve different kinds of problems and the idea behind this method is non-trivial. Let’s look to the initial equation:
Let’s choose some arbitrary (произвольную) function ψ(x,y) (можем выбрать некоторую произвольную функцию, которую в будущем назовём взвешенной (weighting) функцией). Evidently, if right initial equation is equal to zero, so the product of this Laplace operator and weighting function will be equal to zero.
Now let's integrate this product over the area s (this s corresponds to the whole problem domain)
Also, it is necessary to remember, we are talking about finite element method and all finite functions and consequently these weighted functions also will be limited by certain element, they will be equal zero outside the considered element and will be non-zero inside them. That’s why the first glance (взгляд) this integral is very complicated it should be integrate over the wide area, but in the practice it should integrate always in very small area, which is restricted by considered elements.
Galerkin method (метод Бубнова-Галеркина)
We can use many different weighting functions. The math tells us if we shall take big number of different functions and if we shall insure this equation for different weighting functions, then we shall get a good approximation of the initial potential distribution. It will be not exactly the potential distribution, it will be something, which is not very far from this distribution. Moreover, the final approximate solution will depend on how we shall choose this weighting function. For different set of the weighting functions, we shall get different solutions and all of them may be called as approximations of the solution.
So, how to choose them, what to do. The answer is done in the Galerkin method.
This is an initial equation and that is true only because the Laplacian of potential is equal to zero. Evidently, the Laplacian of such approximation not necessary will be equal to zero it may differ from zero, that’s why the integral from the product of Laplacian weighting function and after integration will give us so called ‘weighted residual’ – R:
So, the idea of the Galerkin method – it is the special choice of the weighting functions:
to use the weighted residual method;
to use approximation functions for weighting:
to set residuals to zero; Rj=0
to apply integration-by-parts procedure to the integral (weak formulation)
Let’s assume that the weighting function is the same of the finite function, which corresponds just to this triangle, of course, there are three different functions, so for every triangle we should use three weighting functions. The second assumption, set residuals to zero, evidently we can choose approximation of the potential in such a way the residual will be really equal to zero, not because the Laplacian of the potential is equal to zero, but because the product of this potential and the weighting function after integration will give zero. And now let’s apply integration-by-parts procedure to the integral.
Indeed, if we shall directly calculate this integral using approximation of the potential, we can get exact zero (zero will be equal to zero), so to avoid this difficulty it is possible to use some mathematic transformation, which is called integration-by-part. Очень важная часть метода Галеркина заключается в том, что прямолинейное вычисление интеграла такого вида даст нам нулевой ответ только потому, что вторая производная от полинома первого порядка всегда равна нулю, и таким образом мы не сможем найти решение. Для того, чтобы преодолеть эту сложность в методе Галеркина предполагается провести идентичное преобразование – интегрирование по частям.