Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 12. Energia PEM

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

Fale elektromagnetyczne

Elektrostatyka, cz. 2

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 26 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 1

Efekt naskórkowy (skin effect)

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE POWIERZCHNI PŁASKICH

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

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

Pole magnetyczne Ziemi. Pole magnetyczne przewodnika z prądem

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE CZĘSTOTLIWOŚCIĄ SIECIOWĄ

Elektrostatyka, cz. 1

Zwój nad przewodzącą płytą

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

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

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

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

Pole przepływowe prądu stałego

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

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

Linia dwuprzewodowa Obliczanie pojemności linii dwuprzewodowej

Zalecenia projektowe i montaŝowe dotyczące ekranowania. Wykład Podstawy projektowania A.Korcala

Wykład 14: Indukcja cz.2.

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

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

Rurkowe Indukcyjne Elementy Grzejne

Analiza wektorowa. Teoria pola.

1 Płaska fala elektromagnetyczna

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Podstawy fizyki wykład 8

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

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

Indukcja wzajemna. Transformator. dr inż. Romuald Kędzierski

Indukcja magnetyczna pola wokół przewodnika z prądem. dr inż. Romuald Kędzierski

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

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

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

Przykładowe zadania/problemy egzaminacyjne. Wszystkie bezwymiarowe wartości liczbowe występujące w treści zadań podane są w jednostkach SI.

Prądy wirowe (ang. eddy currents)

Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem obwodu magnetycznego (rdzenia). Są to:

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Pole elektromagnetyczne

Dielektryki i Magnetyki

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 27 MAGNETYZM I ELEKTROMAGNETYZM. CZĘŚĆ 2

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

MGR Prądy zmienne.

KOOF Szczecin:

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Elektrostatyka. Prawo Coulomba Natężenie pola elektrycznego Energia potencjalna pola elektrycznego

Literatura. Prowadzący: dr inż. Sławomir Bielecki adiunkt Zakład Racjonalnego Użytkowania Energii ITC PW. Zakres wykładu. Pole pojęcie fizyczne

Czym jest prąd elektryczny

Parametry i konstrukcje przewodów

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

MAGNETOSTATYKA. Zakład Elektrotechniki Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej, I-7, W-5

Rozdział 8. Fale elektromagnetyczne

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

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

Klasyczny efekt Halla

WYKŁAD 12 ENTROPIA I NIERÓWNOŚĆ THERMODYNAMICZNA 1/10

Wyznaczanie parametrów linii długiej za pomocą metody elementów skończonych

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

(13) B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PL B1 H02P 1/34

Równania Maxwella. Wstęp E B H J D

Elektromagnetyzm. pole magnetyczne prądu elektrycznego

WIROWYCH. Ćwiczenie: ĆWICZENIE BADANIE PRĄDÓW ZAKŁ AD ELEKTROENERGETYKI. Opracował: mgr inż. Edward SKIEPKO. Warszawa 2000

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Lekcja 16. Temat: Linie zasilające

Teoria pola elektromagnetycznego

Teoria Pola Elektromagnetycznego

Zadania do ćwiczeń z tematyki podstawowej opory cieplne, strumienie, obliczanie oporów wielowarstwowych ścian, etc

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2014/2015

Przepływy laminarne - zadania

Elektryczność i Magnetyzm

WOJEWÓDZKI KONKURS FIZYCZNY MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA

Technik mechatronik modułowy

Zastosowanie zespolonego wektora Poyntinga do wyznaczania impedancji

Pole elektrostatyczne

GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW

Moment pędu fali elektromagnetycznej

Ferromagnetyki, paramagnetyki, diamagnetyki.

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Konferencja. Ograniczanie strat energii w elektroenergetycznych liniach przesyłowych w wyniku zastosowania nowych nisko-stratnych przewodów

POWTÓRKA PRZED KONKURSEM CZĘŚĆ 14 ZADANIA ZAMKNIĘTE

Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć. Dr hab.

Temat: Analiza pracy transformatora: stan jałowy, obciążenia i zwarcia.

Wykład 4 i 5 Prawo Gaussa i pole elektryczne w materii. Pojemność.

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu ELEKTROTECHNIKA (Nazwa kierunku studiów) Przedmiot realizowany od roku akademickiego 2014/2015

Zestaw doświadczalny - siły elektromagnetyczne [ BAP_ doc ]

Lekcja 43. Pojemność elektryczna

VLF (Very Low Frequency) 15 khz do 30 khz

Wielkości opisujące sygnały okresowe. Sygnał sinusoidalny. Metoda symboliczna (dla obwodów AC) - wprowadzenie. prąd elektryczny

Elektrodynamika. Część 5. Pola magnetyczne w materii. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

Transkrypt:

Podstawy elektromagnetyzmu Wykład 12 Energia PEM

Energia pola elektromagnetycznego Pole elektryczne W E = V w E dv w E = E D 2 = E 2 2 = D2 2 Pole magnetyczne Całkowita energia W = V w E w H dv = = 1 E D H B dv = 2 V = 1 2 E 2 B 2 dv V Objętościowa gęstość energii EM W H = V w H dv w H = H B 2 = H 2 2 = B2 2 w= E D 2 H B 2 Dotyczy to tylko materiałów liniowych i niedyspersyjnych D= E B= H Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 2

Zmiana energii w czasie Przeanalizujmy pochodną energii po czasie W t = w E V w H t t dv =1 2 V = V E E t H H t dv = = V E H E 2 H E dv = E H H E= E H E 2 B2 t t dv = Tożsamość dla wektorów = V E 2 d V V E H d V = Twierdzenie Stokesa R-nia Maxwella H = E E t E = H E t E= H t H t = E = V E 2 d V V E H d S Pierwszy składnik prawej strony to energia zamieniająca się w ciepło. Drugi składnik odpowiada za zmianę energii w (małej) objętości. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 3

Zmiana energii w czasie (kontynuacja) Interpretacja Moc przekształcająca się w ciepło. Zmiana jest ujemna, gdyż energia - jest tracona (fdla PEM;-) S W t = V H E w E t S=E H w H t dv = V E 2 d V V E H d S Moc wypromieniowywana przez brzeg małej objętości V. Jest ujemna lub dodatnia w zależności od znaku (zwrotu) wektora E H względem wektora normalnego do V (brzegu V). Wektor Poyntinga reprezentuje gęstość strumienia mocy EM. Jednostki: W /m 2 Wektor Poyntinga został wynaleziony równolegle przez Johna Henry'ego Poynting, Olivera Heaviside i Nikolaja Umowa. Umow opublikował Pracę 10 lat wcześniej, niż Poynting, ale pisał o transferze energii w ciałach stałych i cieczach. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 4

Przykład Prosty, długi przewód z prądem stałym Wewnątrz: E wzdłuż przewodu H wokół osi S do wnętrza przewodu H S S E H I J E H S=E H E S Na zewnątrz: E od przewodu na zewnątrz H dookoła przewodu S równoległy do przewodu Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 5

Przykład Długi prosty przewód z prądem przemiennym H t (kontynuacja) S t =E t H t E t i S t S t j t E t S t E t Wewnątrz: E wzdłuż przewodu H wokół osi S do wnętrza przewodu H t H t Zwróć uwagę, że E i H zmieniają zwrot, gdy zmienia się kierunek prądu, ale S zawsze zachowuje kierunek. Na zewnątrz: E od przewodu na zewnątrz H dookoła przewodu S równoległy do przewodu Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 6

Przykład Długi prosty przewód ze stałym prądem I (kontynuacja) Wewnątrz: J =J z, J = I R 2 E=E z, E= J = I R 2 H =H r, H r = S=S r r=e H r = I r 2 R 2 I 2 r 2 2 R 4 Strumień S przez zewnętrzną pow. przewodu O S d O=2 R l S R = = 2 R l I 2 R 2 2 R 4 =I 2 l R 2 l R 2 rezystancja walca (R,l) Strumień wektora Poyntinga przez zewnętrzną powierzchnię jest równa mocy zamieniającej się w przewodzie w ciepło. Energia wnika do wnętrza metalu (przewodnika) i zamienia się tam w ciepło. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 7

Wektor Poyntinga w kablu koncentrycznym Strumień wektora S przez przekrój poprzeczny izolacji R 2 R 1 H E H = I 2 r dp=s z 2 r dr P= R1 R 2 dp= E r = S z = U r ln R 2 / R 1 U I 2 r 2 ln R 2 / R 1 U I ln R 2 / R 1 R 2 1 R 1 r dr= = U I ln R 2 / R 1 ln R 2 / R 1 Strumień wektora Poyntinga przez poprzeczny przekrój izolacji jest równy mocy przekazywanej kablem. P=U I Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 8

Kabel koncentryczny H = (kontynuacja) Strumień S przez zewnętrzną powierzchnię żyły: I 2 R 1 E Z = J = I R 1 2 1 R 2 S R 1 =E R 1 H R 1 R 1 H E S = I 2 2 2 R 1 3 O S d O=2 R 1 l S=I 2 l 2 R 1 Ten sam wynik otrzymamy dla przewodzącego ekranu: energia wnika w przewodnik i zmienia się tam w ciepło. Jak poprzednio, strumień wektora Poyntinga jest równy mocy zamienianej na ciepło. Energia wnika w przewodnik i zmienia się tam w ciepło. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 9

Wektor Poyntinga dla pól harmonicznych S= 1 2 E H* =P j Q P=Re 1 2 s E H * ds Q=Im 1 2 s E H * ds Moc w obwodzie elektrycznym S=P j Q Zespolony wektor Poyntinga pozwala wyznaczać parametry obwodowe dla przebiegów sinusoidalnych. Z = 1 [ 1 I 2 2 E H * ] ds s R= 1 [ I Re 1 2 X = 1 I 2 [ 2 s E H * ds ] Im 1 2 s E H * ds] Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 10

Siły mechaniczne Pole elektryczne f e = E 1 2 E 2 Pole magnetyczne f m =J B 1 2 H 2 Pole elektromagnetyczne f em = f e f m p t p= E H = 1 c 2 E H Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 11

Efekt naskórkowości Prostokątny przewodnik o wymiarach a >> b w żłobku ferromagnetycznym Jeżeli założymy, że ferromagnetyk się nie nasyca, a s >> b, to możemy przyjąć uproszczony model polal: H = [ H x (y), 0, 0 ] J = [ 0,0,J z (y) ] Rozwiązanie takiego modelu pokazuje, że prąd jest wypierany ze żłobka i płynie tylko w części przewodu położonej blisko pow. żłobka. L H dl=i b H a =I r 1000 H 0 2 H y 2 H y =0 y 2 H 0 =0, H a = I b H =J J z y = H x y H y = J y = I sinh y bsinh a I cosh y b sinh a Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 12

Model numeryczny Model jest znacznie bardziej realistyczny, ale płynące z niego wnioski są podobne: prąd jest wypierany ku górze i płynie tylko blisko pow, żłobka. Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 13

Wpływ częstotliwości Zwiększenie częstotliwości uwypukla efekt: dla dużych częstotliwości można przyjąć, że prąd płynie tylko po powierzchni przewodu. Zjawisko jest wykorzystywane przy hartowaniu powierzchniowym oraz w testowaniu nieniszczącym (metody wieloczęstotliwościowe). Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 14

Przewód w powietrzu Jeżeli wyjmiemy przewód ze żłobka, to zjawisko staje się symetryczne: prąd jest wypierany w górę i w dół (oczywiście także na lewo i prawo, ale to jest mniej widoczne, gdyż a >> b. y J Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 15

Przewód cylindryczny W przewodzie cylindrycznym prąd jest wypierany osiowosymetrycznie, ku powierzchni cylindra. d 2 J d r 2 1 r d J d r j J =0 Funkcja Bessela J r = I j J 0 j 2 R J 1 j Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 16

Silny efekt naskórkowości uproszczenia Kiedy możemy go stosować? Grubość przewodnika >> Głębokość wnikania Jak? Analizujemy falę EM wnikającą w przewodnik. Głębokość wnikania: d = 2 R r H r =H s e H s = I 2 R J r =H s e j /4 R r e Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 17

Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 18 Efekt zbliżenia

Ekran elektromagnetyczny Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 19

Ekran elektromagnetyczny (kontynuacja) Podstawy elektromagnetyzmu, Wykład 12, slajd 20