Elektromagnetické pole, vlny a vedení (A2B17EPV) PŘEDNÁŠKY Garant: Škvor Z. Vyučující: Pankrác V., Škvor Z. Typ předmětu: Povinný předmět programu (P) Zodpovědná katedra: 13117 - Katedra elektromagnetického pole Rozsah výuky a počet kreditů: 2p+2c (5 kreditů) Zakončení: Z (zápočet), ZK (zkouška) Anotace Předmět seznamuje studenty se základy aplikované teorie elektromagnetického pole, vlastnostmi a metodami řešení statických, stacionárních a časově proměnných polí ve volném prostoru a na základních typech vedení. Předmět poskytuje studentům základní fyzikální pohled na studované jevy a děje a tento pohled zasazuje do rámce praktického inženýrského využití vykládaných zákonitostí. Posluchač by měl umět jevy nejenom fyzikálně a aplikačně vysvětlit, ale i pro základní struktury kvantifikovat (vypočítat). Absolvent předmětu získá potřebné základní vědomosti pro porozumění a návrh elektronických prvků, komunikačních systémů a dalších technologií, ať již nyní vyučovaných v dalších předmětech studijního programu, nebo zavedených v nejbližších desetiletích. Osnova přednášek 1 1. Základní postuláty elmag. pole, jeho zdroje, náboje a proudy 2. Pole elektrických nábojů, Laplaceova a Poissonova rovnice, polarizace, kapacita 3. Magnetické pole ustálených proudů, magnetizace, vlastní a vzájemná indukčnost 4. Magnetické obvody a jejich řešení, pole ve feromagnetiku 5. Indukční zákon. Nestacionární pole a úplný systém Maxwellových rovnic - jejich praktické vysvětlení 6. Energie a síly v elektromagnetickém poli 7. Elmag. vlna, vlnová rovnice, řešení pro rovinnou harmonickou vlnu ve volném prostoru 8. Rovinná elmag. vlna ve ztrátovém prostředí, vlna na rozhraní prostředí, Snellův zákon 9. Pole a vlny ve vodičích, povrchový jev, Poyntingův teorém 10.Analytická a numerická řešení elektromagnetických polí - aplikace 11.Vedení vln vedením, parametry vedení, přenos, odraz, impedance 12.Smithův diagram, zobrazované parametry a jeho použití pro přizpůsobení 13.Vedení s vlnou TEM, dvouvodičové, koaxiální, Lecherovo, jiné typy vedení 14.Vlnovod s obdélníkovým průřezem, parametry, vidy, rezonátory ELEKTROMAGNETICKÉHO POLE, VLNY A VEDENÍ Zkouška sestává z části písemné a ústní. Písemná část sestává z deseti otázek z níže uvedeného seznamu (každá správně zodpovězená otázka je hodnocena jedním bodem) a tří příkladů (každý hodnocen maximálně deseti body). Zápočet je nutno získat před započetím zkoušky. Udělení zápočtu po skončení prvého týdne zkouškového období je možné jen s písemným souhlasem vedoucího katedry elektromagnetického pole. Doporučená literatura: Novotný, K.:Teorie elektromagnetického pole I Pankrác, Hazdra, Novotný: Teorie Elektromagnetického pole, příklady
Coufalová, Havlíček, Mikulec, Novotný: Teorie elektromagnetického pole I Novotný, K., Škvor,Z.,Mazánek,M.,Pechač,P.: Vlny a Vedení B. Coufalová, K. Novotný: Teorie elektromagnetického pole II Podmínky k zápočtu: 1) Docházka - alespoň 75% 2) Vyřešení a včasné odevzdání úloh v systému AMOS (toleruje se neodevzdání maximálně jedné ze zadaných úloh) Doporučené příklady ze skript Pankrác, Hazdra, Novotný: Teorie Elektromagnetického pole, příklady ES: 1, 3, 8, 10, 12, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 28, 29, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 48, 50, 51, 53, 62, 63, 64, 65, 66, 68, 70, 75, 76, 77, 79 MG: 4, 6, 8, 10, 17, 18, 19, 20, 21, 24, 25, 26, 30, 31, 32, 33, 35, 37, 38, 42, 44,48, 50, 51, 52, 53, 57, 61, 62 NES: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 12, 13, 14, 15, 16 VED: 1, 2, 4, 5, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15 Seznam doporučených příkladů ze skript Coufalová, Havlíček, Mikulec, Novotný: Teorie elektromagnetického pole I 1.1, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.11, 1.16, 1.18, 1.20, 1.22, 1.25, 1.35, 1.38, 1.39, 1.41, 1.50, 1.51, 1.52, 1.53, 1.57, 1.61, 1.62, 1.64 3.3, 3.5, 3.6, 3.7, 3.12, 3.13, 3.25, 3.26, 3.33, 3.34, 3.35 4.6, 4.7, 4.9, 4.10, 4.11, 4.16, 4.17, 4.19, 4.20, 4.24, 4.25 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9 6.5, 6.6 Příklady ze skript: B. Coufalová, K. Novotný: Teorie elektromagnetického pole II 1.15, 1.16, 1.17, 1.18, 1.19, 1.21, 1.23, 1.24, 1.25, 1.29, 1.30, 1.32, 1.33, 1.34, 1.35, 1.36, 1.37, 1.38, 1.41, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.11, 2.12, 2.13, 2.14, 2.16, 2.18, 2.19, 2.20 4.17, 4.18, 4.19, 4.20, 4.21, 4.22, 4.23, 4.24, 4.27, 4.28, 4.29, 4.37, 4.38, 4.39 Základní otázky pro teoretickou část zkoušky. Platí shodně pro prezenční i kombinovanou formu studia. 1. Síla současně působící na elektrický náboj v elektrickém a magnetickém poli (Lorentzova síla) 2. Coulombův zákon, orientace vektorů (vzorec a obrázek se zakreslením orientace sil) 3. Co je a kdy lze použít princip superpozice 4. Definice intenzity elektrického pole 5. Vyjádření vektorového pole E pomocí skalárního pole potenciálu ϕ 6. E a ϕ buzené daným rozložením hustoty náboje ρ 7. Co je napětí a jak souvisí s E a ϕ 8. Laplaceova a Poissonova rovnice pro elektrický skalární potenciál 9. Gaussova věta v elektrostatickém poli a definice elektrického toku
10. Čemu se rovná E na povrchu vodiče 11. E osamocené neomezené nabité rovinné vodivé folie 12. E a ϕ nabité vodivé koule 13. E a ϕ dlouhého nabitého válcového vodiče 14. Energie elektrostatického pole vyjádřena pomocí vektorů pole 15. Definice kapacity, význam všech použitých symbolů 16. Gaussova věta v elektrostatickém poli, kdy ji lze použít k výpočtu E 17. Podmínky pro tečné složky pole E, D na rozhraní dvou dielektrik 18. Podmínky pro normálové složky pole E, D na rozhraní dvou dielektrik, vyznačit orientaci normály k rozhraní. 19. Celková kapacita a maximální napětí kapacitorů řazených seriově a paralelně. 20. Energie nabitého kapacitoru 21. Definice elektrického proudu ve stacionárním proudovém poli 22. Rovnice kontinuity stacionárního proudu 23. Ohmův zákon v diferenciálním tvaru 24. Podmínky pro tečné a normálové složky J na rozhraní dvou vodivých prostředí 25. Definice elektromotorického napětí a jeho vztah ke svorkovému napětí zdroje 26. Joulovy ztráty v proudovém stacionárním poli 27. Definice odporu vodiče, celkový odpor rezistorů řazených seriově a paralelně 28. Biotův-Savartův zákon, nakreslete orientaci vektorů 29. Co je magnetická indukce a její definice pomocí pohybujícího se náboje 30. Definice magnetického toku 31. Jaký je charakter stacionárního magnetického pole, rovnice které ho popisují 32. Ampérův zákon a kdy ho lze použít k výpočtu B nebo H 33. Definice magnetického skalárního potenciálu, kdy jej lze použít 34. Statická definice vlastní a vzájemné indukčnosti 35. Podmínky pro normálové složky pole B, H na rozhraní dvou magnetik 36. Podmínky pro tečné složky pole B, H na rozhraní dvou magnetik 37. Energie stacionárního magnetického pole vyjářena pomocí vektorů pole 38. Energie nahromaděná v induktoru, energetická definice indukčnosti 39. Jaké síly působí mezi dvěma paralelními vodiči protékanými stejným proudem ve stejném směru a opačnými směry (vzorec a obrázek s vyznačením směrů) 40. Hopkinsonův zákon a definice reluktance 41. Vyjádření vlastní a vzájemné indukčnosti cívek pomocí reluktance 42. Faradayův indukční zákon 43. Dynamická definice vlastní a vzájemné indukčnosti 44. Zápis okamžité hodnoty E pomocí fázoru
45. Časová střední hodnota energie elektrického a magnetického pole zapsána pomocí fázorů 46. Jaké je rozložení B v harmonicky podélně magnetovaném feromagnetickém plechu 47. Impedance vodiče při výrazném elektrickém povrchovém jevu, frekvenční závislost 48. Rovnice kontinuity pro volné náboje a proudy v nestacionárním poli 49. Maxwellovy rovnice v integrálním tvaru v nestacionárním poli, obecná časová závislost 50. Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru pro harmonicky proměnné nestacionární pole 51. Maxwellovy rovnice v integrálním tvaru pro harmonicky proměnné nestacionární pole 52. Energetická bilance elektromagnetického pole, obecná časová závislost, fyzikální význam jednotlivých členů 53. Poyntingův vektor, definice a zápis pomocí vektorů 54. Energetická bilance činného výkonu 55. Energetická bilance jalového výkonu 56. Vlnová rovnice pro E nebo H v obecném prostředí mimo oblast zdrojů, obecná časová závislost 57. Vlnová rovnice pro E nebo H v obecném prostředí mimo oblast zdrojů, harmonické časové změny pole, zápis pomocí fázorů 58. Zápis E harmonicky proměnné postupné rovinné vlny v obecném prostředí pomocí fázorů, význam všech použitých symbolů 59. Zápis E harmonicky proměnné postupné rovinné vlny v obecném prostředí pomocí okamžité hodnoty, význam všech použitých symbolů 60. Jaká je plocha konstantní amplitudy a plocha konstantní fáze u rovinné elektromagnetické vlny, co je uniformní a neuniformní vlna 61. Co je a jak je definována fázová rychlost 62. Co je a jak je definována skupinová rychlost 63. Nakreslete orientaci E, H, k u rovinné vlny, jaký je vztah těchto třech vektorů, jaký typ vlny je rovinná vlna 64. Co je a jak je definována charakteristická impedance v obecném prostředí 65. Čemu se rovná k, v f a Z v ideálním dielektriku 66. Čemu se rovná k, v f a Z v dobrém vodiči 67. Co je a jak je definována hloubka vniku 68. Co je a jaké jsou typy polarizace elektromagnetické vlny 69. Impedance vedení s rozprostřenými parametry v závislosti na poloze 70. Charakteristická impedance reálného a bezeztrátového vedení 71. Koeficient odrazu pro elektrické pole při kolmém dopadu, obecné materiály. 72. Koeficient prostupu pro elektrické pole při kolmém dopadu, obecné materiály. 73. Koeficienty odrazu a prostupu při kolmém dopadu, ideální dielektrikum. 74. Co je to poměr stojatých vln, jeho vztah k činiteli odrazu R? 75. Snellovy zákony. 76. Co je to Brewsterův polarizační úhel, výraz ze kterého jej lze určit?
77. Co je to totální odraz, podmínky pro jeho nastání? 78. Co je to povrchová vlna? 79. Co je to dominantní vid obdélníkového vlnovodu, nakreslete rozložení intenzit elektrického a magnetického pole tohoto vidu? 80. Mezní frekvence vidů v obdélníkovém vlnovodu. 81. Mezní vlnová délka vidů v obdélníkovém vlnovodu. 82. Mezní frekvence dominantního vidu v obdélníkovém vlnovodu. 83. Mezní vlnová délka dominantního vidu v obdélníkovém vlnovodu. 84. Fázová rychlost vlny šířící se v obdélníkovém vlnovodu. 85. Vlnová délka vlny šířící se v obdélníkovém vlnovodu. 86. Konstanta šíření vlny šířící se v obdélníkovém vlnovodu. 87. Charakteristická impedance TM a TE vln šířících se v obdélníkovém vlnovodu. 88. Výkon přenášený dominantním videm v obdélníkovém vlnovodu. 89. Nakresli čáry konstantní amplitudy koeficientu odrazu ve Smithově diagramu. 90. Nakresli čáry konstantní fáze koeficientu odrazu ve Smithově diagramu. 91. Nakresli čáry konstantní reálné části normované impedance ve Smithově diagramu. 92. Nakresli čáry konstantní imaginární části normované impedance ve Smithově diagramu. 94. Nakresli obvod se dvěma součástkami se soustředěnými parametry, který přizpůsobí R=Z 0 /2 k Z 0. 93. Nakresli obvod se dvěma součástkami se soustředěnými parametry, který přizpůsobí R=2Z 0 k Z 0.