Kursus: IEE1110 Elektromagnetväljatehnika, Jaotis: Loengumaterjalid | Moodle

Põhikursuse leht

  • 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
    • URL ikoon
      Laiendatud ainekava (ÕIS) URL
    • Fail ikoon
      Õpijuhis Fail
    • Fail ikoon
      Tegevuskava Fail
    • Fail ikoon
      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. 

    • Fail ikoon
      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. 

    • Foorum ikoon
      Kursusel osaleja foorum.

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

Kodutööd

Loengumaterjalid

  • Loengumaterjalid

    Loengud toimuvad igal kolmapäeval algusega kell 12:00 ruumis U03-222.
    Loengute sisuks on peamiselt teooriaga tutvumine, lisaks vähemal määral näiteülesannete lahendamine ning demonstratsioonid ja katsed. 

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

      Coulomb'i seadus, elektrilaeng Q, vaakumi dielektriline läbitavus ε0, elektrivälja tugevus E. Elektrivälja lineaarsus, ühe- ja mitme punktlaengu elektrivälja tugevus. Laengu joon, pind- ja ruumtiheduse mõisted. Joonlaengu elektriväli.

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


      Kiirkursus elektrilaengutest ja Coulombi seadusest:                   Charles Coulomb'i elust ja tema kuulsast valemist                        


    • Fail ikoon
      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 õpiku kolmas peatükk: "Electric Flux Density, Gauss's Law, and Divergence."

      Divergentsi (Gaussi) teoreem:                                                        


    • Fail ikoon
      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 õpiku neljanda peatükki: "Energy and Potential" kolm esimest alapunkti.


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


    • Fail ikoon
      4. IEE1110 - Staatilise elektrivälja energia Fail

      Elektriline dipool. Elektrivälja energia, plaatkondensaatori energia. 

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

      Alternatiivne viis elektrivälja energia avaldise tuletamiseks 


    • Fail ikoon
      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 õpiku viienda peatüki: "Conductors, Dielectrics and Capacitance" alapunktid 1-5. 


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


    • Fail ikoon
      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. Elektrivälja jõujoonte kujutamine. 

      Iseseisvalt läbi töötada õpiku viienda peatüki: "Conductors, Dielectrics and Capacitance" alapunktid 7-10.
      Samuti on iseseisvaks tööks õpiku kuues peatükk "Experimental Mapping Methods."


      Elektrivälja tugevus juhis ja selle pinnal Mahtuvus   
      Elektriväli dielektrikus ja keskkonna polarisatsioon                               Elektrivoo tihedus dielektrilises keskkonnas                                 


    • Fail ikoon
      7. IEE1110 - Staatilise elektrivälja kujutamine Fail

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

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


      Elektrivälja jõujoonte võrrandid Poissoni ja Laplace'i võrrandid
      Laplace'i võrrandite lahendusnäiteid                                               Laplace'i võrrandi lahendamine iteratsioonimeetodil                           

    • Fail ikoon
      8. IEE1100 - Staatiline magnetväli ja Maxwelli võrrandid staatiliste väljade korral. Fail

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

      Iseseisvalt läbi töötada õpiku 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                      


    • Fail ikoon
      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 õpiku 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


    • Fail ikoon
      10. IEE1110 - Magnetiseeritus ja induktiivsus Fail

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

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


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


    • Fail ikoon
      11. IEE1110 - Maxwelli võrrandid Fail

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

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

      Faraday seadus Faraday seaduse demonstratsioon                                                     
      Induktiivsus Nihkevool
      Maxwell-Heaviside võrrandid                                                            


    • Fail ikoon
      12. IEE1110 - Ühtlane tasalaine vaakumis Fail

      Maxwelli võrrandid vaakumis. Faasor, Maxwelli võrrandid  faasorkujul. Ühtlane tasalaine vaakumis. 

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


      Faasor Faasorkujul Maxwell - Heaviside võrrandid vaakumis              
      Ühtlane tasalaine vaakumis                                                          


    • Fail ikoon
      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 üheteistkümnenda peatüki "The Uniform Plane Wave." neli viimast alapunkti.


      Ühtlane tasalaine dielektrilises keskkonnas                                    Lainelevi mõningase juhtivusega keskkonnas                     
      Poyntingi teoreem Pinnaefekt      

    • Fail ikoon
      14. IEE1110 - Tasalaine keskkondade piiril Fail

      Laine polarisatsioon, lineaarne-, elliptiline- ja  ringpolarisatsioon.
      Laine keskkondade piiril. Langev- peegeldunud ja ülekandunud laine. Peegeldus- ja ülekandetegur. Seisulaine ja seisulainetegur. 

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


      Elektromagnetlaine polarisatsioon  Valguse polarisatsioon                                                                
      Ühtlane tasalaine kahe keskkonna piiril                                        Seisulaine


    • Fail ikoon
      15. IEE1110 - Fresneli võrrandid Fail

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

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



      Mitmekordne peegeldus Fresneli võrrandid                                                                                       
      Fresneli võrrandid ja nende rakendamine 3D graafikas:       




    • Fail ikoon
      16. IEE1110 - Ülekandeliin Fail

      Ülekandeliini aseskeem, telegrafi võrrandid, lainelevi ülekandeliinis, ideaalne- ja reaalne ülekandeliin koaksiaalkaabel ja selle parameetrid. Koormatud ülekandeliini impedants.
      Iseseisvalt lõpuni läbi töötada kolmeteistkümnes peatükk "Transmission Lines." 


      Telegraafi võrrandid              Harmooniline signaal ülekandeliinis                                                      

      Koaksiaalne ülekandeliin (koaksiaalkaabel)                                                   


Kodutööd