Podstawy elektromagnetyzmu

stacjonarne

I stopnia

obowiązkowy

W 18/+ ; C 18/+ ; L 8/z; razem: 44 godz.; 3 pkt ECTS

algebra z geometrią analityczną / wymagania wstępne: znajomość podstaw rachunku wektorowego

analiza matematyczna 1 / wymagania wstępne: znajomość podstaw rachunku różniczkowego i całkowego

fizyka 1 / wymagania wstępne: znajomość podstawowych pojęć z zakresu ruchu falowego oraz pól elektromagnetycznych

semestr drugi / elektronika i telekomunikacja / wszystkie specjalności Wydziału Elektroniki

prof. dr hab. inż. Adam KAWALEC, dr inż. Andrzej DUKATA

Aktywność / obciążenie studenta w godz. (wg arkusza Bilans ECTS)

1. Udział w wykładach / 18

2. Udział w ćwiczeniach audytoryjnych / 18

3. Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych / 8

4. Udział w ćwiczeniach projektowych / 0

5. Udział w seminariach / 0

6. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 14

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń audytoryjnych / 15

8. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych / 8

9. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń projektowych / 0

10. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 0

11. Udział w konsultacjach / 6

12. Przygotowanie do egzaminu / 0

13. Przygotowanie do zaliczenia / 3

14. Udział w egzaminie / 0

Sumaryczne obciążenie pracą studenta:

90 godz. / 3 ECTS, przyjęto 3 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+5+11): 50 godz./ 1,5 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową (1÷10): 81 godz./ 2,5 ECTS

Treść przedmiotu zawiera podstawy teorii elektromagnetyzmu w części dynamicznej, tj. opartej na równaniach Maxwella. Obejmuje on opis propagacji fal elektromagnetycznych (EM) w ośrodkach nieograniczonych, na granicy rozdziału półprzestrzeni dielektrycznych i/lub stratnych oraz w falowodzie prostokątnym. Ponadto przedstawiono podstawy teorii promieniowania fal EM. Na zajęciach laboratoryjnych z zastosowaniem środowiska Mathcad studenci uzyskują modele numeryczne wybranych zjawisk EM.

Wykład / werbalno-audiowizualna prezentacja treści programowych

1. Repetytorium z analizy wektorowej. - Przypomnienie podstawowych pojęć z algebry wektorowej (iloczyn skalarny, wektorowy) i analizy wektorowej (dywergencja, rotacja, gradient, podstawowe tożsamości) wykorzystywanych w elektromagnetyzmie. / 2 godz.

2. Równania Maxwella. - Różniczkowa postać równań Maxwella w ośrodkach materialnych (polaryzacja, magnetyzacja). Równania Maxwella dla pól harmonicznie zmiennych (zespolona przenikalność dielektryczna). Postać całkowa równań Maxwella. / 2 godz.

3. Fale elektromagnetyczne w dielektryku idealnym. - Wyprowadzenie wektorowego równanie falowego. Fala płaska typu TEM. Impedancja falowa i impedancja właściwa. / 2 godz.

4. Fale elektromagnetyczne w ośrodku stratnym. - Wykorzystanie zapisu zespolonego do wyprowadzenia równania Helmholtza. Przedstawienia fali płaskiej w notacji zespolonej. Pojęcie zespolonego wektora propagacji. / 2 godz.

5. Warunki brzegowe i zależności energetyczne w polu EM. - Wyprowadzenie warunków brzegowych. Bilans mocy w polu elektromagnetycznym w opisie rzeczywistym i zespolonym. Rzeczywisty, zespolony i średni w czasie wektor Poyntinga. / 2 godz.

6. Fala padająca ukośnie na granicę dielektryk-dielektryk. - Wzory Fresnela dla fali płaskiej padającej ukośnie na granicę dwóch ośrodków dielektrycznych. Współczynniki odbicia i transmisji mocy. / 2 godz.

7. Fale elektromagnetyczne w falowodach. Mody falowe. / 2 godz.

8. Potencjały w elektrodynamice i promieniowanie od źródeł prądowych. - Potencjał wektorowy i skalarny. Potencjały EM opóźnione. Potencjały generowane przez źródła zlokalizowane. Dipol Hertza. / 2godz.

9. Test sprawdzający / 2 godz.

Ćwiczenia / ćwiczenia audytoryjne.

1. Repetytorium z analizy wektorowej. - Przypomnienie podstawowych pojęć z algebry wektorowej (iloczyn skalarny, wektorowy) i analizy wektorowej (dywergencja, rotacja, gradient, podstawowe tożsamości) wykorzystywanych w elektromagnetyzmie. Przedstawienia fali płaskiej w notacji zespolonej. / 2 godz.

2. Równania Maxwella i równanie falowe. - Wyznaczanie postaci zmiennych w czasie pól elektromagnetycznych za pomocą równań Maxwella. / 2 godz.

3. Zależności energetyczne w polu EM. - Wyznaczanie rzeczywistego, zespolonego i średniego w czasie wektora Poyntinga dla fali płaskiej w próżni. / 2 godz.

4. Warunki brzegowe w elektromagnetyzmie. - Rozkład wektora pola na składową styczną i normalną do granicy rozdziału ośrodków. Wyznaczanie wektorów pola elektrycznego i magnetycznego na granicy dwóch ośrodków w oparciu o warunki brzegowe. / 2 godz.

5. Fala padająca prostopadle na granicę dielektryk-dielektryk. - Wyznaczanie współczynników odbicia i transmisji mocy dla fali płaskiej padającej prostopadle na granicę dwóch ośrodków dielektrycznych. / 2 godz.

6. Fala padająca prostopadle na granicę dielektryk-przewodnik. - Wyznaczanie współczynników odbicia i transmisji pola elektrycznego dla fali płaskiej padającej prostopadle na granicę dielektryk-przewodnik. / 2 godz.

7. Falowód prostokątny 1 - Wyznaczanie postaci rozwiązania dla modów TM i TE w falowodzie prostokątnym. / 2 godz.

8. Falowód prostokątny 2 - Wyznaczanie parametrów falowodu prostokątnego (częstości granicznej, liczby falowej w zależności od częstości granicznej, prędkości fazowej i grupowej). / 2 godz.

9. Prace kontrolne. / 2 godz.

Laboratoria / ćwiczenia laboratoryjne z wykorzystaniem komputera.

1. Wprowadzenie do programu MathCad. - Deklaracja stałych, definiowanie funkcji, wizualizacja wyników, różniczkowanie, całkowanie. Obliczenia symboliczne i numeryczne dywergencji, rotacji, gradientu w układzie kartezjańskim. / 2 godz.

2. Modelowanie odbicia i transmisji płaskiej fali EM na granicy dwóch ośrodków. / 2 godz.

3. Modelowanie pól EM w falowodzie. / 2 godz.

4. Modelowanie pola promieniowania dipola Hertza. / 2 godz.

podstawowa:

T. Morawski, W. Gwarek, Pola i fale elektromagnetyczne, WNT, Warszawa, 1985 lub później.

D. J. Griffiths, Podstawy elektrodynamiki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2001 lub później.

uzupełniająca:

R. Litwin, Teoria pola elektromagnetycznego, WNT, Warszawa, 1968 lub później.

W1 / Ma wiedzę z zakresu matematyki i fizyki przydatną do formułowania i rozwiązywania prostych zadań z zakresu podstaw elektromagnetyzmu. / K_W01, K_W02

W2 / Ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę ogólną w zakresie opisu pól elektromagnetycznych oraz propagacji fal w przestrzeni wolnej, w obszarze sąsiadującym z granicą ośrodków oraz w falowodzie prostokątnym. / K_W01, K_W04

W3 / Zna podstawowe metody stosowane przy rozwiązywaniu prostych zadań inżynierskich z zakresu propagacji fal w przestrzeni wolnej, w obszarze sąsiadującym z granicą ośrodków oraz w falowodzie prostokątnym. / K_W01, K_W04

U1 / Potrafi pozyskiwać informacje z literatury i internetu, integrować uzyskane informacje i wyciągać wnioski. / K_U01

U2 / Ma umiejętność samokształcenia. / K_U06

U3 / Potrafi planować symulacje komputerowe dotyczące podstaw elektromagnetyzmu w środowisku MathCad, interpretować uzyskane wyniki i wyciągać wnioski. / K_U10

K1 / Rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie. / K_K01

K2 / Potrafi odpowiednio określić priorytety służące realizacji określonego przez siebie lub innych zadania. / K_K04

Przedmiot zaliczany jest na podstawie zaliczenia.

Ćwiczenia zaliczane są na podstawie prac kontrolnych oraz aktywności na ćwiczeniach.

Ćwiczenia laboratoryjne zaliczane są na podstawie aktywności na ćwiczeniach oraz wykonanego sprawozdania w formie elektronicznej.

Zaliczenie przedmiotu jest prowadzone w formie pisemnej (test - zadania zamknięte).

Warunkiem koniecznym do uzyskania zaliczenia jest pozytywna ocena z testu, ćwiczeń rachunkowych i laboratoryjnych.

Efekty W1, W2, W3, U2 weryfikowane są w cząstkowym zakresie poprzez skuteczną realizację ćwiczeń rachunkowych, laboratoryjnych oraz testu.

Efekty U1, U3 weryfikowane są poprzez skuteczną realizację zadań laboratoryjnych.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 91-100%.

Ocenę dobrą plus otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 81-90%.

Ocenę dobrą otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 71-80%.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 61-70%.

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 51-60%.

Ocenę niedostateczną otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie równym lub niższym niż 50%.

Ocenę uogólnioną zal. otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie wyższym niż 50%.

Ocenę uogólnioną nzal. otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie równym lub niższym niż 50%.