Podstawy elektromagnetyzmu

stacjonarne

I stopnia

obowiązkowy

W 18/+ ; C 18/+ ; L 8/z; Razem: 44

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

dr inż. Andrzej DUKATA

1. Udział wykładach / 18

2. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 14

3. Udział w ćwiczeniach rachunkowych / 18

4. Samodzielne przygotowanie się do ćwiczeń rachunkowych / 15

5. Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych / 8

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów i opracowanie sprawozdań / 8

7. Udział w konsultacjach / 6

8. Przygotowanie do zaliczenia przedmiotu / 3

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 90 / 3 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli: 1. + 3. + 5. + 7. = 50 / 1,5 ECTS

Zajęcia o charakterze praktycznym: 5. + 6. = 16 / 0,5 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 / Wykład informacyjny. Praca z książką i internetem.

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Test sprawdzający / 2

Ćwiczenia / Ćwiczenia przedmiotowe.

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Prace kontrolne. / 2

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

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

3. Modelowanie pól EM w falowodzie. / 2

4. Modelowanie pola promieniowania dipola Hertza. / 2

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.

Zaliczenie przedmiotu przeprowadzane jest w formie testu.

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.