Kursus: IEE1110 Elektromagnetväljatehnika, Section: Õppematerjalid | Moodle

Main course page

  • bänner


    Tere tulemast kursusele! 

    Elektromagnetväljatehnika kursuse eesmärk on anda sulle põhiteadmised ja praktilised oskused elektromagnetnähtustest. Aine raames vaatame elektri- ja magnetvälju kirjeldavaid seaduseid ja kuidas nendest lähtudes saab kirjeldada elektromagnetväljade teket ning levimist erinevates keskkondades. Muuhulgas saab selgeks kuidas töötavad generaatorid ja mootorid ning veel palju muud põnevat!

    Edukat õppimist!


    Sissejuhatus kursusesse

    Elektriline vastasmõju on üks neljast fundamentaalsest jõust Universumis. Ainsana neist neljast on elektromagnetismi puhul olemas ka viimast täielikult kirjeldav teooria - šoti matemaatiku James Clerk Maxwell’i kuulsad võrrandid. Matemaatiline kirjeldus on tuletatud katseliselt kindlaks tehtud seaduspärasuste alusel. Viimastest võib näiteks mainida keskkooli füüsikatundidest tuttavad Coulombi, Biot-Savart’I ja Faraday seadused.

    Kuna kogu tänapäevane elektroonika ja arvutus- ning sidetehnika töötavad just elektromagnetnähtustele tuginedes, siis on viimast kirjeldavate seaduspärade tundmine insenerile ilmselgelt vajalik.

    Elektromagnetväljatehnika aine raames vaatame elektri- ja magnetvälju kirjeldavaid seaduseid ja seda, kuidas nendest lähtudes saab kirjeldada elektromagnetväljade teket ning levimist erinevates keskkondades. Muuhulgas saab selgeks mis on tribolekektriline efekt, kuidas töötavad generaatorid ja mootorid, mis on voo kompressiooni generaator, rööbas- ja gaussi kahuri tööpõhimõtted, ülekandeliinide ehitus, tööpõhimõte ja parameetrid ning palju muud.

    Aines õpitule tuginedes saab järgnevate loengukursuste raames omandada antennide ja lainejuhtide tööpõhimõtted ning lainelevi alused reaalsetes keskkondades.

    Kursuse läbiviija: vanemlektor Ivo Müürsepp, ivo.muursepp@ttu.ee
    • Laiendatud ainekava (ÕIS) URL
    • Õpijuhis Fail
    • Tegevuskava Fail
    • Vajalike eelteadmiste nimekiri Fail

      Nimekiri aine edukaks läbimiseks vajalikest eelteadmistest. Kõik nimekirjas toodu peaks olema omandatud kas keskkoolis või ülikoolis üldainete raames. Võimalikud puudujäägid vajalikes teadmistes on soovitav iseseisvalt kõrvaldada. Vajadusel võib alati abi ja nõu küsida. 

    • Kirjalike tööde vormistamise nõuded ja juhend Fail

      Kõik käesolevas õppeaines esitatavad kirjalikud tööd - kodutööde lahendused ja praktikumide aruanded, peavad vastama toodud vormistaminõuetele. 
      Nõuetele mittevastav töö saadetakse õppurile paranduste tegemiseks tagasi. Töö esitamise tähtaega sellisel juhul ei pikendata. 

    • Kursusel osaleja foorum.

      Foorumit kasutatakse õppejõu teadete edastamiseks, õppejõult ja kaastudengitelt nõu küsimiseks ning ainega seotud teemadel arutlemiseks. 

Kodutööd

Õppematerjalid

  • Õppematerjalid

    Loengud toimuvad igal teisapäeval algusega kell 12:00 ruumis U05-209.
    Loengute sisuks on peamiselt teooriaga tutvumine, lisaks vähemal määral näiteülesannete lahendamine ning demonstratsioonid ja katsed. 

    Aine põhiõpik: William H. Hayt, Jr. . John A. Buck. Engineering Electromagnetics. 6th Ed. McGraw-Hill Companies. 2001.

    • 1. IEE1110 - Coulomb'i seadus ja elektrivälja tugevus. Fail

      Coulomb'i seadus, elektrilaeng Q, vaakumi dielektriline läbitavus ε0, elektrivälja tugevus E. Triboleketriline efekt. Üksiku punktlaengu elektriväli ja punktlaengute süsteemi elektriväli. Elektrivälja lineaarsus ja superpositsiooniprintsiip. Laengu ruumtihedus ρv, pidevalt jaotunud laengu elektriväli. Elektrivälja kujutamine, elektrivälja jõujooned.

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku teine peatükk: "Coulomb's Law and Electric Field Intensity."

      Elektrilaeng Charles Coulomb'i elulugu.
       
             		  
       
      Elektrivälja jõujoonte võrrandid. Lõputu ühtlase joonlaengu elektriväli.
       
             		  
       
      Lõputu ühtlase pindlaengu elektriväli.  
       
             		  
    • 2. IEE1110 - Elektrivoo tihedus, Gaussi seadus ja divergents. Fail

      Elektrivoog Ψ ja elektrivoo tihedus D. Gaussi seadus, Maxwelli esimene seadus. Vektorvälja divergents div A  ja divergentsi teoreem.

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku kolmas peatükk: "Electric Flux Density, Gauss's Law, and Divergence."

      Punktlaengu elektrivoog. Ühtlase joonlengu elektriväli
      Gaussi seadust kasutades.
       
             		  
       
      Koaksiaalkabli elektrivoog. Divergentsi (Gaussi) teoreem.
       
             		  
       



       

    • 3. IEE1110 - Elektriväljas tehtav töö ja potentsiaal. Fail

      Elektrivälja energia W ja potentsiaal U. Konservatiivne väli, Kirchoff'i teine seadus, joonintegraal. Joon- ja punktlaengu potentsiaal U. Laengute süsteemi potentsiaal, potentsiaali gradient grad U. 

      Iseseisvalt lõpuni läbi töötada põhiõpiku neljanda peatükki: "Energy and Potential" kolm esimest alapunkti.

      Elektrivälja energia ja potentsiaal.  Ühtlase joon- ja punktlaengu potentsiaalid.
       
      		  
      Laengute süsteemi potentsiaal. Potentsiaali gradient.
       
      		  

       

    • 4. IEE1110 - Staatilise elektrivälja energia. Fail

      Elektriline dipool, elektriline dipoolmoment p. Elektrivälja energia WE, plaatkondensaatorisse salvestunud energia. 

      Iseseisvalt lõpuni läbi töötada põhiõpiku neljas peatükk: "Energy and Potential."

      Alternatiivne elektrivälja energia tuletamise viis.
       
       
    • 5. IEE1110 - Juhid ja dielektrikud. Fail

      Elektrivoolu tugevus I ja voolutihedus J. Elektrilaengu jäävuse seadus ja elektrivoolu pidevuse tingimus. Elektrivool juhis, Oomi seadus, takistus R.  Elektriväli E juhi sisemuses ja pinnal - piirtingimused. Kujutiste meetod. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku viienda peatüki: "Conductors, Dielectrics and Capacitance" alapunktid 1-5. 

      Elektrivoolu tugevus ja voolutihedus. Elektrilaengu jäävuse seadus, elektrivoolu pidevuse tingimus.
       
      		  
      Oomi seadus.  
       
      		  

       

    • 6. IEE1110 - Elektriväli dielekrikes. Fail

      Elektriväli E dielektrikus, dielektriku polarisatsioon P, absoluutne- ε ja suhteline εr dielektriline läbitavus, materjali dielektriline vastuvõtlikkus χe.
      Piirtingimused dielektrike kokkupuutepinnal, piirtingimused dielektriku ja juhi kokkupuutepinnal. Mahtuvuse C mõiste. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku viienda peatüki: "Conductors, Dielectrics and Capacitance" alapunktid 7-10 ja kuues peatükk "Experimental Mapping Methods."

      Elektriväli juhis ja selle pinnal. Mahtuvuse mõiste.
      		 
      Elektriväli dielektrikus, keskkonna polarisatsioon. Elektrivoo tihedus dielektrikus.
       
      		  

       

    • 7. IEE1110 - Staatilise elektrivälja kujutamine. Fail

      Poissoni ja Laplace'i võrrandid, Laplace'i operaator Δ. Iteratsioonimeetod Laplace'i võrrandi numbriliseks lahendamieks. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku seitsmenda peatüki: "Poisson's and Laplace's Equations" alapunktid 1 ja 3.

      Poissoni ja Laplace'i võrrandid. Laplace'i võrrandite lahenduste näited.
       
      		  
      Laplace'i võrrandi lahendamine iteratsioonimeetodil.  
       
      		  
    • 8. IEE1100 - Staatiline magnetväli, Maxwelli võrrandid staatiliste väljade korral. Fail

      Biot-Savart'i seadus, magnetvälja tugevus H, elektrivoolu pindtihedus K. Lõputu - ja lõpliku pikkusega vooluga juhtme magnetväljade tugevused.  Ampere' seadus. Vektorvälja rootori ∇× mõiste. Magnetvoog Φ ja magnetvoo tihedus B. Maxwelli võrrandid staatiliste väljade korral. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku kaheksanda peatüki: "The Steady Magnetic Field" esimesed kolm alapunkti.

      Staatiline magnetväli ja Biot-Savart'i seadus.  Koguvoolu seadus.
       
      		  
      Magnetvälja rootor. Maxwell-Heaviside võrrandid staatiliste väljade korral.
       
      		  
    • 9. IEEE1100 - Magnetiline potentsiaal ja magnetilised jõud. Fail

      Skalaarne magnetiline potentsiaal Um ja magnetiline vektorpotentsiaal A. Lorentzi jõud, Halli efekt. Jõud vooluelementide vahel, suletud vooluahelale mõjuv pöördemoment T. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku üheksanda peatüki: "Magnetic Forces, Materials and Inductance" esimene kuni neljas alapeatükk.

      Skalaarne magnetiline potentsiaal. Magnetiline vektorpotentsiaal.
       
      		  
      Lorentzi jõud. Lorentzi jõu praktiline rakendus elekromagnetilises kahuris (railgun).
       
      		  
      Vooluga raam magnetväljas. Homopolaarne mootor - Lorentzi jõu rakendus.
       
      		  

       

    • 10. IEE1110 - Keskkonna magnetiseeritus ja induktiivsuse mõiste. Fail

      Magnetilised materjalid ja nende olemus.  Magnetiline dipooloment m,  magnetiseeritus M, keskkonna magnetiline vastuvõtlikkus χm ning selle absoluutne- ja suhteline magnetiline läbitavus μ ja μr. Piirtingimused magnetvälja jaoks. Magnetahel, magnetomotoorjõud mmj,  reluktantsi ℜ mõiste, Hopkinsoni seadus. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku üheksanda peatüki: "Magnetic Forces, Materials, and Inductance."  viies kuni kaheksas alapunkt. 

      Magnetahel Magnetiseeritus ja keskkonna magnetiline läbitavus.
       
      		  
      Magnetahela mittelineaarsus:  magnetvõimendi. Diamagneetiline levitatsioon.
       
      		  

       

    • 11. IEE1110 - Maxwell- Heaviside võrrandid. Fail

      Faraday seadus, elektromotoorjõud emj, Lenzi reegel. Enese- L ja vastastikune M induktiivsus. Nihkevoolu  mõiste. Maxwell- Heaviside võrrandid diferentsiaalsel- ja integraalsel kujul. Hilistunud potentsiaalid. 

      Iseseisvalt lõpuni läbi töötada põhiõpiku kümnes peatükk "Time-Varying Fields and Maxwell's Equations."

      Faraday seadus. Faraday seaduse demonstratsioon.
       
      		  
      Induktiivsus Nihkevool
       
      		  
      Maxwell-Heaviside võrrandid.  
       
      		  
    • 12. IEE1110 - Ühtlane tasalaine vaakumis. Fail

      Maxwell-Heaviside võrrandid vaakumis. Faasor, Maxwell-Heaviside võrrandid  faasorkujul. Ühtlane tasalaine vaakumis. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku üheteistkümnenda peatüki "The Uniform Plane Wave." Esimene alapunkt.

      Faasor Maxwell-Heaviside võrrandid faasorkujul vaakumi keskkonnas.
       
      		  
      Ühtlane tasalaine vaakumis.  
       
             		  

       

    • 13. IEE1110 - Lainelevi erinevates keskkondades. Fail

      Ühtlane tasalaine dielektrikus, lainelevi kadudega keskkonnas, levikonsant γ = α + jβ. Sumbeteguri α ja faasikonstandi β mõisted.
      Poyntingi vektor Π ja elektromagnetlaine võimsus. Lainelevi heades juhtides, pinna- ja läheduseffekt,  pinnakihi paksus δ. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku üheteistkümnenda peatüki "The Uniform Plane Wave." neli viimast alapunkti.

      Ühtlase tasalaine levi dielektrilises keskonnas. Lainelevi mõningase juhtivusega keskkonnas.
       
      		  
      Poyntingi teoreem. Pinnaefekt
       
      		  
    • 14. IEE1110 - Tasalaine keskkondade piiril. Fail

      Laine polarisatsioon, lineaarne-, elliptiline- ja  ringpolarisatsioon.
      Laine keskkondade piiril. Langev-, peegeldunud ja ülekandunud lained. Peegeldus- ja ülekandetegurid. Seisulaine ja seisulaineteguri VSWR mõiste. 

      Iseseisvalt läbi töötada põhiõpiku kaheteistkümnenda peatüki "Plane Waves at Boundaries and in Dispersive Media." esimesed kaks alapunkti.

      Elektromagnetlaine polarisatsioon. Valguse polarisatsioon.
       
      		  
      Ühtlane tasalaine kahe keskkonna piiril. Seisulaine
       
      		  
    • 15. IEE1110 - Fresneli võrrandid. Fail

      Võimsuse ülekanne keskkondade piiril. Mitmekordne peegeldus, lainetakistuse ruumiline sõltuvus.  Tasalaine levi meelevaldses suunas. Fresneli võrrandid - laine peegeldumine ja murdumine meelevaldse langemisnurga korral. s- ja p- polarisatsioon, Brewsteri nurk. 

      Iseseisvalt lõpuni läbi töötada põhiõpiku kaheteistkümnes peatükk "Plane Waves at Boundaries and in Dispersive Media." 

      Mitmekordne peegldus. Fresneli võrrandid.
       
      		  
      Fresneli võrrandid ja nende rakendamine 3D graafikas.  
       
      		  




       

    • 16. IEE1110 - Ülekandeliinide teooria. Fail

      Ülekandeliini aseskeem, telegrafi võrrandid, lainelevi ülekandeliinis, ideaalne- ja reaalne ülekandeliin, koaksiaalkaabel ja selle parameetrid. Koormatud ülekandeliini impedants.

      Iseseisvalt lõpuni läbi töötada põhiõpiku kolmeteistkümnes peatükk "Transmission Lines." 

      Telegraafi võrrandid. Harmoonilise signaali levi ülekandeliinis.
       
      		  
      Koaksiaalne ülekandeliin.  
       
      		  

       

Kodutööd