- •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
The cut in the space (Разрез в пространстве)
How to resolve the problem which does not allow to consider the magnetic field as the potential.
The yellow ring is wire with the current. Current induces magnetic field around itself. So if we shall go around the wire we immediately will have a ratio but it is forbidden. If so that we can’t use a scalar magnetic potential at all. In such case we should make the cut in the space.
Black line – cut line. Starts at the infinity, goes around the wire and then go to the infinity.
We shall consider that our problem domain is the space around this line.
Now any closed loop will not contain a current inside. In such case we can use a definition of the scalar magnetic potential.
T he cut in the space is necessary to do if we want to consider the systems with the current.
Laplace equation for the scalar magnetic potential (Уравнение Лапласа для скалярного магнитного потенциала)
Basic equations:
In general case:
For the medium with the constant magnetic permeability μ:
– Laplace equation for the scalar magnetic potential
This equation has solution only if the correct boundary conditions will be applied to the problem.
10. Vector magnetic potential. Inductance (Векторный магнитный потенциал. Индуктивность)
Vector magnetic potential (Векторный магнитный потенциал)
Vector magnetic potential is universal. It exists both in conducting media with currents, in insulating area where are no currents at all, may be used in static magnetic field and may be used in electrodynamics, where magnetic field depends on time.
Main equations:
Consider a vector satisfying a relation:
Why it is possible. Let’s apply an operation div to both parts of this relation. We shall get:
and as we know
Magnetic flux (Магнитный поток)
Definition of the flux:
Stokes theorem:
Differential equation for the vector magnetic potential (Дифференциальное уравнение для векторного магнитного потенциала)
Ampere’s law:
Magnetic field intensity and flux density are related by:
Taking into account , we get:
If μ is constant:
Identical transformation:
Gauging of the vector magnetic potential (Калибровка векторного магнитного потенциала)
The vector potential defined by the relation is not unique (it can’t give us unique definition of the vector A).
Adding a term of to the value of the vector potential does not change the flux density, because
We can invent many different functions which will satisfy to this relation. How to get rid from all of this big number of solution and keep only one of them? We can amply additional property at vector A. And this additional property is called gauging.
The most often ‘Coulomb gauging’ is used:
Калибровка вектора магнитного потенциала необходима, чтобы обеспечить единственность вектора в пространстве. Существует несколько калибровок, позволяющих прийти к этой цели. Зачастую используется Кулоновская калибровка.
Integral presentation of the vector magnetic potential (Интегральное представление векторного потенциала)
For the Coulomb gauging of the vector potential we get:
In Cartesian coordinate system this vector equation results in 3 scalar ones:
Comparing to electric field:
Each scalar equation has an integral solution of:
Comparing to electric field:
We can unite these expressions into one vector formula:
This expression gives us unique value of the . Also, for physical systems we can say that the vector magnetic potential tends to 0 in infinitely remote point as same as potential.