Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

Podobne dokumenty
Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Elektrostatyka, cz. 1

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Fizyka współczesna. Zmienne pole magnetyczne a prąd. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Powstawanie prądu w wyniku zmian pola magnetycznego

Wykład 14: Indukcja cz.2.

Wykład 15: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Pojęcie ładunku elektrycznego

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Wymiana ciepła. Ładunek jest skwantowany. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

Wykład 14: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Pole elektromagnetyczne

Teoria pola elektromagnetycznego

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Nazwa magnetyzm pochodzi od Magnezji w Azji Mniejszej, gdzie już w starożytności odkryto rudy żelaza przyciągające żelazne przedmioty.

Fale elektromagnetyczne

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Elektrodynamika. Część 6. Elektrodynamika. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Magnetostatyka. Bieguny magnetyczne zawsze występują razem. Nie istnieje monopol magnetyczny - samodzielny biegun północny lub południowy.

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Podstawy fizyki sezon 2 6. Indukcja magnetyczna

Wykłady z Fizyki. Elektromagnetyzm

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

POLE MAGNETYCZNE Magnetyzm. Pole magnetyczne. Indukcja magnetyczna. Siła Lorentza. Prawo Biota-Savarta. Prawo Ampère a. Prawo Gaussa dla pola

Przedmowa do wydania drugiego Konwencje i ważniejsze oznaczenia... 13

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Fale elektromagnetyczne

Pole magnetyczne. Magnes wytwarza wektorowe pole magnetyczne we wszystkich punktach otaczającego go przestrzeni.

Indukcja elektromagnetyczna

Podstawy fizyki sezon 2 5. Indukcja Faradaya

Wykład 8: Elektrostatyka Katarzyna Weron

Pole elektrostatyczne

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Ładunek elektryczny. Zastosowanie równania Laplace a w elektro- i magnetostatyce. Joanna Wojtal. Wprowadzenie. Podstawowe cechy pól siłowych

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Podstawy fizyki sezon 2 6. Równania Maxwella

PROGRAM INDYWIDUALNEGO TOKU NAUCZANIA DLA UCZNIÓW KLASY II

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Linie sił pola elektrycznego

Podstawy fizyki wykład 8

Rozdział 6. Równania Maxwella. 6.1 Pierwsza para

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

) I = dq. Obwody RC. I II prawo Kirchhoffa: t = RC (stała czasowa) IR V C. ! E d! l = 0 IR +V C. R dq dt + Q C V 0 = 0. C 1 e dt = V 0.

Pole przepływowe prądu stałego

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

Pole magnetyczne ma tę własność, że jego dywergencja jest wszędzie równa zeru.

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

ŁADUNEK I MATERIA Ładunki elektryczne są ściśle związane z atomową budową materii. Materia składa się z trzech rodzajów cząstek elementarnych:

Prawa Maxwella. C o p y rig h t b y p lec iu g 2.p l

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU Z FIZYKI W SEMESTRZE LETNIM 2010/11

3. Mechanika punktu materialnego, kinematyka (opis ruchu), dynamika (przyczyny ruchu).

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

Równania Maxwella redukują się w przypadku statycznego pola elektrycznego do postaci: D= E

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU Z FIZYKI W SEMESTRZE ZIMOWYM Elektronika i Telekomunikacja oraz Elektronika 2015/16

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

cz.3 dr inż. Zbigniew Szklarski

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Efekt naskórkowy (skin effect)

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO. Wykład 9 lato 2016/17 1

Definicje i przykłady

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

Wykład 2. POLE ELEKTROMEGNETYCZNE:

Teoria Pola Elektromagnetycznego

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

Fizyka 2 Podstawy fizyki

Wykład FIZYKA II. 1. Elektrostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

3. Równania pola elektromagnetycznego

Wykład Siły wynikające z prawa Lorentza i Biota-Savarta c.d Prądy polaryzacyjne w dielektrykach. 15. Magnetyczne własności materii

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Dielektryki. właściwości makroskopowe. Ryszard J. Barczyński, 2016 Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Fotonika. Plan: Wykład 3: Polaryzacja światła

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Elektrodynamika Część 4 Magnetostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Wektor położenia. Zajęcia uzupełniające. Mgr Kamila Rudź, Podstawy Fizyki.

Indukcja elektromagnetyczna

Galilean Electrodynamics

Elementy elektrodynamiki klasycznej S XX

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

Magnetyzm. Wykład 13.

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Wykłady z Fizyki. Magnetyzm

Transkrypt:

Podstawy elektromagnetyzmu Wykład 2 Równania Maxwella

Prawa Maxwella opisują pola Pole elektryczne... to zjawisko występujące w otoczeniu naładowanych elektrycznie obiektów lub jest skutkiem zmiennego w czasie pola magnetycznego. Pole elektryczne powoduje powstawanie siły działającej na naładowane obiekty. Pole magnetyczne... Ito zjawisko występujące w otoczeniu poruszających się naładowanych obiektów lub na powstające w wyniku zmian pola elektrycznego w czasie. Pole magnetyczne powoduje powstawanie siły działającej na poruszające się naładowane obiekty. Koncepcje pól E I M zaproponował Michael Faraday. Siła Lorenza: F=q E q v B Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 2

Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 3 Ładunek elektryczny? Ładunek elektryczny... to fizyczna własność materii. Jest wielkością nieciągłą (skwantowaną) elementarny ładunek oznaczamy jako e (uważa się, że kwarki mają ładunki będące wielokrotnościami e/3). e 1.602 e 19 [C ] Ładunki mogą być dodatnie lub ujemne. Elektron ma ładunek -e, proton +e. Ładunki się przyciągają (jeśli mają różne znaki) lub odpychają (jeśli mają ten sam znak): F=k e q 1 q 2 r 2, k e = 1 4 πε 0 ε 0 1 9 /(36 π) 8.85e 12 [F /m] Zasada zachowania ładunku: Całkowity ładunek elektryczny odizolowanego systemu nie zmienia się.

F=q E q v B Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 4 Prawo Lorentza PL dokreśla całkowitą siłę działającą na ładunek w obecności obu pól: elektrycznego E I magnetycznego B. Pole elektryczne to zjawisko fizyczne. Pole magnetyczne B może być uważane za czysto matematyczną koncepcję umożliwiającą łatwe uwzględnienie efektów relatywistycznych (STW). Można pokazać, że siłę magnetyczną można wyznaczyć jedynie przy pomocy elektrostatyki I STW. Jednak powszechnie posługujemy się koncepcją pola magnetycznego B, ponieważ upraszcza to rozważania i obliczenia.

Równania Maxwella (RM) Prawo Ampera (skorygowane przez Maxwella) Prawo indukcji Faraday'a Prawo Gaussa Prawo Gaussa dla pola magnetycznego E pole elektryczne (natężenie PE) D indukcja elektryczna H natężenie pola magnetycznego B pole magnetyczne (indukcja magnetyczna) J gęstość prądu elektrycznego (wektor GPE) H=J D t E= B t D= B=0 D= E J= E B= H Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 5

Prawo Ampera Odkryte przez Andre-Marie Ampere w 1826 r. Postać różniczkowa H =J I Postać całkowa H S H d l= S J d S S H d l=i Całka z natężenia pola magnetycznego wzdłuż zamkniętej krzywej jest równa całkowitemu prądowi przepływającemu przez powierzchnię, której brzegiem jest krzywa. http://www.sparkmuseum.com Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 6

Prawo Maxwella-Ampera Prawo ampera sugeruje, że w próżni, gdzie J=0 H=0 S H d l=0 Rozpatrzmy następujący przykład: L 1 L 2 L 3 L2 H d l=0?!? H I 2π r L1 H d l=i I I L3 H d l=i x J.C Maxwell zasugerował skorygowanie prawa Ampera H =J D t S H d l= S J D t d S (On Physical Lines of Force, 1861) Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 7

Prawo indukcji Faraday'a Odkryte niezależnie przez Michaela Faraday'a i Josepha Henry'ego in 1831 r. (M. Faraday jako pierwszy opublikował pracę) Postać różniczkowa E= B t Postać całkowa S Ed l= d d t S B d S Siła elektromotoryczna indukująca się w zamkniętej pętli jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego obejmowanego przez pętlę. = d d t Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 8

Prawo Gaussa Odkryte przez Carla Friedricha Gaussa w 1835 r (opublikowane w 1867 r.) Postać różniczkowa D= Postać całkowa S D d S=Q Źródłem pola elektrycznego jest ładunek. Strumień wektora indukcji magnetycznej przez zamkniętą powierzchnię jest równy całkowitemu ładunkowi obejmowanemu przez tę powierzchnię. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 9

Prawo Gaussa dla pola magnetycznego Analogia prawa Gaussa dla pola magnetycznego Postać różniczkowa B=0 Postać całkowa S B d S=0 Nie istnieją ładunki magnetyczne. (To jest oczywiste, jeśli pamiętamy, że B to zabieg matematyczny.) Całkowity strumień wektora indukcji magnetycznej przez dowolną zamkniętą powierzchnię jest równy zero. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 10

RM i materia związki konstytutywne W próżni D= 0 E, B= 0 H, J=0 E=0 Jednorodne, anizotropowe, niedyspersywne matariały W rzeczywistości D= E, B= H, J= E D= E, f E, B= H,f H, J= T J E Co więcej, ε,μ i σ są w ogólności tensorami, których elementy Zależą od natężenia pola, jego kierunku i innych czynników, Takich jak temperatura, naprężenia mechaniczne, historia,... Na szczęście w ramach tego kursu będziemy świat idealizować Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 11

Historia (1) J.C. Maxwell, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, 1864 (1) Całkowity prąd (2) Siła magnetyczna (3) Prawo Ampere'a (4) Siła elektromotoryczna (5) Elektryczne równanie elastyczności J tot =J D t H = A H=J tot E= v H A t E= 1 D J.C.Maxwell podał 6 skalarnych równań we Współrzędnych kartezjańskich, co doprowadziło go do 20 równań z 20 niewiadomymi. Obok zapisano odpowiednie równania we współczesnej notacji wykorzystującej wektory. (6) Prawo Ohma E= 1 J (7) Prawo Gaussa D= (8) Zasada zachowania ładunku J= t lub J tot =0 Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 12

Historia (2) J.C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 1873 E= A t B= A D= H D t =J Potencjały B=0 B= A E= A t E A t =0 E A t = Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 13

Zastosowanie praktyczne RM umożliwiają określenie (przewidzenie) zasad obowiązujących w PEM Praktyczne problemy wymagają ograniczenia czasu i przestrzeni Warunki brzegowe pozwalają zawęzić przestrzeń analizy Warunki początkowe pozwalają zawęzić przedział czasowy Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 14

Warunki? Po co? RM to cząstkowe równania różniczkowe określają pochodne opisujące po. Rozważmy dla przykładu zwyczajne RR: d f x d x =0.5 f x =0.5 x c c=? f(x) Jak widać, ogólne rozwiązanie RR pozwala przewidzieć rodzaj funkcji ale nie konkretną funkcję. Potrzebujemy dodatkowych ograniczeń, aby wybrać rozwiązanie konkretne. f(8)=? Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 15

Warunki brzegowe Zewnętrzne źródła I i +Q i1 Ω -Q i1 Wewnętrzne źródła Ω Warunki brzegowe to zależności, które pole ma spełniać na brzegu obszaru. WB pozwalają uwzględnić obecność lub nieobecność zewnętrznych źródeł pola bez potrzeby ich dokładnej analizy. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 16

Warunki początkowe Warunki początkowe to zależności, które pole musi spełniać w pewnym momencie (t=0). Pozwalają uwzględnić historię zmian pola. E historia t 0 -t e czas Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 17

Uproszczenia RM są bardzo ogólne i dość skomplikowane. Na szczęście w wielu zagadnieniach możemy je uprościć. Robimy to przez pominięcie pewnych składników, które są małe, Przez wykorzystanie symetrii lub specjalny opis matematyczny., General Ogólny framework szablon of RME... Pola statyczne Pola harmoniczne Pola w. cz. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 18

Uproszczenia: electrostatyka H=J D t E= B t D= B=0 D= E J= E B= H B t =0, D t =0 Interesuje nas tylko pole elektryczne, stałe w czasie. Interesują nas zjawiska w stałych lub wolno zmieniających się polach. Używamy opisu funkcją skalarną. E= H=J E=0 D= B=0 D= E J= E B= H Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 19

Uproszczenia: magnetostatyka H=J D t E= B t D= B=0 D= E J= E B= H B t =0, D t =0 Tylko pole magnetyczne, stałe w czasie. Interesuje nas pole magnetyczne od stałych lub wolnozmiennych prądów. B= A H =J E=0 D= B=0 D= E J= E B= H Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 2, slajd 20