- •1. Electrostatic field. Coulomb’s law. Gauss law (Электростатическое поле. Закон Кулона. Закон Гаусса)
- •Variables and units
- •Coulomb’s Law. (ЗаконКулона)
- •Electric Field Strength e and Displacement Field d. (Напряжённостьисмещениеэлектрическогополя)
- •Gauss’ Law. (ЗаконГаусса)
- •2. Poisson’s and Laplace’s equations for the potential of electric field (Уравнения Пуассона и Лапласа для потенциала электрического поля) Electric Potential. (Электрический потенциал)
- •Poisson’s and Laplace’ s equations. (Уравнения Пуассона и Лапласа)
- •3. Electrostatic Energy (Электростатическая энергия) Electrostatic Energy (Электростатическаяэнергия)
- •Virtual experiment. (Эксперимент по нахождению энергии системы)
- •Consequences (Следствия)
- •4. Power and Joule’s Law (Энергия и закон Джоуля-Ленца)
- •5. Continuity Equation (Уравнения непрерывности) ContinuityEquation (Уравнение непрерывности)
- •Image method for the flat boundary between magnetic media (Метод изображений для плоской границы между магнитными носителями)
- •8. Static magnetic field. Biot–Savart’s Law. Ampere’s Law (Статическое магнитное поле. Закон Био–Савара. Закон Ампера)
- •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)
- •The cut in the space (Разрез в пространстве)
- •Laplace equation for the scalar magnetic potential (Уравнение Лапласа для скалярного магнитного потенциала)
- •10. Vector magnetic potential. Inductance (Векторный магнитный потенциал. Индуктивность)
- •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)
- •12. Internal inductance of a thin conductor (Внутренняя индуктивность тонкого проводника) Flux linkage of a thin current layer (Потокосцепление тонкого слоя с током)
- •Internal inductance of a thin conductor (Внутренняя индуктивность тонкого проводника)
- •13. Inductance of a two wire transmission line (Индуктивность двухпроводной линии).
- •14. Variable separation method in a cylindrical coordinate system (Метод разделения переменных в цилиндрической системе координат). Application of Laplace’s equation (Применение уравнения Лапласа).
- •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)
- •15. The Faraday’s law (Закон электромагнитной индукции).
- •Lenz’s Law (правило Ленца)
- •Induction by a temporal change of b (Индукция за счёт временного изменения b)
- •16. Induction through the motion of a conductor (Индукция за счет движения проводника).
- •17. Induction by simultaneous temporal change of b and motion of the conductor (Индукция одновременным изменением b во времени и движением проводника).
- •18. Unipolar generator (Униполярный генератор).
- •19. Hering’s paradox (Парадокс Геринга)
- •20. Diffusion of magnetic fields into conductors (Распространение электромагнитного поля в проводнике)
- •21. Periodic electromagnetic fields in conductors. (Периодическое электромагнитное поле в проводниках)
- •Penetration of the electromagnetic field into a conductor. (Проникновение электромагнитного поля в проводник)
- •The skin effect. (Скин-эффект)
- •22. Poynting 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)
- •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)
- •25. Energy flows in static electric and magnetic fields (Поток энергии в статических электрических и магнитных полях).
- •26. The reduced magnetic potential (Редуцированный магнитный потенциал). 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)
- •27. Classification of numerical methods of the electromagnetic field modeling (Классификация численных методов моделирования электромагнитного поля).
- •Classification of the problems (Классификация проблем)
- •Classification of the methods (Классификация методов)
- •28. Method of moments
- •Discretization of the problem domain (Дискретизация проблемной области)
- •29. Basic principles of the finite element method.
- •30. Finite functions (Ограниченная функция – отлична от нуля только в пределах треугольника)
- •Simplex coordinates
- •Approximation of functions inside triangles (Аппроксимация функций внутри треугольника)
- •Approximation of the equation (Аппроксимация уравнения)
- •31. Weighted residual method (метод взвешенных невязок)
- •32. Weak formulation of the electromagnetic field modeling problem
- •33. Boundary conditions in electric and magnetic fields
- •1) First type boundary conditions
- •34. Main equations of electromagnetic field in integral form.
- •35. Main equations of electromagnetic field in differential form.
- •36. Electric field of a point charge (Электрическое поле точечного заряда)
- •37. Electric field of a uniformly charged sphere (Электрическое поле равномерно заряженной сферы)
- •38. Flat capacitor. Field. Surface charge. Capacity. (Плоский конденсатор. Поле. Поверхностный заряд. Вместимость.)
- •39.2 Inductance of a cylindrical coil with the rectangular cross section(Индуктивность цилиндрической катушки прямоугольного сечения).
- •4 0.1 Electric field induced by charged line placed above conducting surface (Электрическое поле, создаваемое заряженной линией, помещенной над проводящей поверхностью).
- •4 0.2. Magnetic field induced by the line with a current placed above a ferromagnetic surface with infinitely high magnetic permeability
Poisson’s and Laplace’ s equations. (Уравнения Пуассона и Лапласа)
and in the absence of free charges (Gauss theorem) because .
For the linear dielectric
Laplace’s equation
In general case and for the linear dielectric
Poisson’s equation
is Laplace operator.
We are talking about only static fields, which don't depend on time. Otherwise, these equations don't work moreover, the potential simply doesn't exist.
If dielectric permittivity is not constant, we can split our system on several (linear – permittivity is constant and doesn't depend on the field intensity or displacement) systems and consider separately.
3. Electrostatic Energy (Электростатическая энергия) Electrostatic Energy (Электростатическаяэнергия)
The force in electric field:
The work (from mechanics):
Definition of the potential difference:
For infinitely remote point "a":
The work is done by the electric field without any external force. This is insolated system.
Energy conservation law (total energy can't be changed):
(W – potential energy, A – work).
But what exactly work do? This work in insulated system (where only charges and electric field exist) transformed into kinetic energy if there no other participles of all this event. (честно, я не понял, почему он тут вдруг начал говорить про кинетическую энергию, хотя до этого всё время говорил про потенциальную)
So, we have got:
But if there external force which moves a charge and moves so that velocity of charge is constant (or velocity at the start = velocity at the finish point), so there is no change of kinetic energy. In this case, the external force applied to electric charge look like that (equal but with the opposite sign): . And after all we get the same relation: .
Virtual experiment. (Эксперимент по нахождению энергии системы)
Consider three points P1, P2, and P3 in a charge free space. The point charges Q1 ,Q2 , and Q3 are brought from infinity to those points, respectively and in turn (соответственно и по очереди).
No work is done in bringing point charge Q1 from infinity to point P1 (because there wasn't electric field in the beginning). Then we have
U21 is the potential induced at point P2 due to Q1,
U31 is the potential induced at point P3 due to Q1 ,
U32 is the potential induced at point P3 due to Q2.
If we want to find a potential in any point, we need to summarize the potentials, which induced by all charges.
Now we reverse this experiment and we move at the beginning charge Q3, then Q2, then Q1.
U23 is the potential induced at point P2 due to Q3,
U12 is the potential induced at point P1 due to Q2 ,
U13 is the potential induced at point P1 due to Q3.
And if we add two equation we get:
or
U1 is the potential induced at point P1 due to Q2 and Q3,
U2 is the potential induced at point P2 due to Q1 and Q3 ,
U3 is the potential induced at point P3 due to Q1 and Q2.
Consequences (Следствия)
In general case:
If the charges are distributed over the space:
for the space charges (U – function because it distributed somehow over the space, where we do integrate). These charges really may exist.
for the surface charges (for example – conducting electrode)
for the line charges (it doesn't exist in our world, because we can't compress the charges into infinitely thin line, but in practice we can have ALMOST linear charges (energy transfer lines – wires) and we can approximate it as a thin line? but bad consequences may happen because of approximation – it may give us an infinite WE and we can't to calculate it)
Substituting in the expression for the energy of charges distributed in the volume (now it's not only electrostatic field, but in electric field this consequence work too):
(for any field)
Applying the Gauss theorem (not Gauss law for field! по-русскиэтоформулаОстроградского - Гаусса) to the first term:
We have static system, which is limited (not infinitely). So, we have a point, which is very far from system. So far, that system may seemed like a point (may be charge point, may be not). And if we are going to infinity our potential and displacement induced by this point are inversed proportional to the radius.
Area of a spherical surface
Energy:
Finally, we get:
Also, we can conclude something (but it is a kind of a sumption [предположение]). Нельзя говорить, что мы выделим в области объём, и там будет какая-то энергия. Энергия WE=Q*U говорит нам, что на самом деле энергия концентрируется в заряде, а через объёмную плотность энергии формула говорит, что энергия концентрируется вокруг заряда. Что из этого правильно и нет – может быть потом он расскажет, а может и нет.
Energy per unit volume (volume density of electric energy):
For isotropic medium: