Καθηγητές Μαθήματος
Βαρσάμης Χρήστος-Πλάτωνας, Σαββαΐδης Στυλιανός, Σταθόπουλος Νικόλαος
ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Με την ολοκλήρωση του μαθήματος αναμένεται ο φοιτητής/ τρια να είναι σε θέση:
- να αξιολογεί τη συσχέτιση ανάμεσα στους διάφορους τύπους μη χρονομεταβλητών πηγών και τα χαρακτηριστικά των στατικών Ηλεκτρικών και Μαγνητικών Πεδίων που αντιστοιχούν σε αυτές τις πηγές,
- να αξιολογεί τις θεμελιώδεις τεχνολογικές εφαρμογές οι οποίες εδράζονται στη θεωρία των στατικών Ηλεκτρικών και Μαγνητικών Πεδίων,
- να επιλύει προβλήματα Υπολογιστικού Ηλεκτρομαγνητισμού και να συσχετίζει τα υπολογιζόμενα μεγέθη με βασικές τεχνολογικές εφαρμογές,
- να αναλύει βασικές τεχνολογικές εφαρμογές που αφορούν το ευρύτερο αντικείμενο του Ηλεκτρολόγου και Ηλεκτρονικού Μηχανικού αναγνωρίζοντας την παρουσία και την επίδραση των Πεδιακών φαινομένων.
Γενικές Ικανότητες
- Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
- Λήψη αποφάσεων
- Αυτόνομη Εργασία
- Άσκηση κριτικής και αυτοκριτικής
- Προαγωγή δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ
- Ενότητα 1: Εισαγωγικές Έννοιες – Εισαγωγή στην έννοια του Πεδίου μέσω της δύναμης Coulomb.
Η Eνότητα 1 περιλαμβάνει την εισαγωγή σε βασικές έννοιες που απασχολούν το αντικείμενο του μαθήματος, όπως οι έννοιες των πηγών, των πεδίων και των μεθόδων αναπαράστασής τους (διανυσματα, συστήματα συντεταγμένων). Στο πλαίσιο αυτό γίνεται χρήση της προυπάρχουσας γνώσης για τη δύναμη Coulomb προκειμένου να παρουσιασθεί η έννοια του Ηλεκτροστατικού Πεδίου.
Η διδασκαλία της Ενότητας 1 περιλαμβάνει 2 2ωρες διαλέξεις (1 Εβδομάδα). - Ενότητα 2: Ηλεκτρική Ροή, Ν. Gauss για το Ηλεκτροστατικό Πεδίο (Ολοκληρωτική & Διαφορική μορφή)
Η Ενότητα 2 περιλαμβάνει την εισαγωγή στην έννοια της ηλεκτρικής ροής και τη συχέτισή της, στα πλαίσια του Ν. Gauss, με την ύπαρξη ηλεκτρικών φορτίων. Με αφετηρία το υπόδειγμα του Ηλεκτροστατικού Πεδίου παρουσιάζεται ο Ν. Gauss ως η πρώτη εξίσωση του Maxwell σε Ολοκληρωτική και Διαφορική Μορφή. Η διδασκαλία της Ενότητας 2 περιλαμβάνει 4 2ωρες διαλέξεις (2 Εβδομάδες). - Ενότητα 3: Ενέργεια, Δυναμικό και Ηλεκτρικό Πεδίο
Η Ενότητα 3 περιλαμβάνει την εισαγωγή των εννοιών του δυναμικού και της διαφοράς δυναμικού μέσα από το παράδειγμα της ενέργειας που πρέπει να καταναλωθεί για τη μετακίνηση ενός σημειακού φορτίου παρουσία ηλεκτρικού πεδίου. Στη συνέχεια, η έννοια του δυναμικού και της διαφοράς δυναμικού συναρτάται με το ηλεκτρικό πεδίο. Τελος, η έννοια του δυναμικού και της δυναμικής ενέργειας χρησιμοποιούνται για να ορισθεί η έννοια της Ενέργειας του Ηλεκτροστατικού Πεδίου.
Η διδασκαλία της Ενότητας 3 περιλαμβάνει 6 2ωρες διαλέξεις (3 Εβδομάδες). - Ενότητα 4: Αγωγοί – Ημιαγωγοί – Διηλεκτρικά: Ιδιότητες και Οριακές Συνθήκες. Η έννοια της Χωρητικότητας.
Η Ενότητα 4 εφαρμόζει τους νόμους και τις μεθόδους των προηγούμενων ενοτήτων σε υλικά με αγώγιμες, ημιαγώγιμες και διηλεκτρικές ιδιότητες. Στα αγώγιμα υλικά εξετάζονται έννοιες όπως το ρεύμα, η αγωγιμότητα, ο νόμος του Ohm καθώς και οι οριακές συνθήκες που πρέπει να ικανοποιούνται σε διεπιφάνειες αγώγιμων υλικών. Στην περίπτωση των ημιαγωγών παρουσιάζονται οι έννοιες των οπών και των ηλεκτρονίων και η διευρυμένη θεώρηση της αγωγιμότητας στα ημιαγώγιμα υλικά. Στην περίπτωση των διηλεκτρικών παρουσιάζονται οι έννοιες της πόλωσης, της διηλεκτρικής σταθεράς και η γενικευμένη θεώρηση της πυκνότητας της ηλεκτρικής ροής, ενώ επίσης εξετάζονται οι οριακές συνθήκες που πρέπει να ικανοποιούνται σε διηλεκτρικές διεπιφάνειες. Τέλος, η σύνθεση των ιδιοτήτων των αγωγών και των διηλεκτρικών επιτρέπει την παρουσίαση της έννοιας της χωρητικότητας.
Η διδασκαλία της Ενότητας 4 περιλαμβάνει 3 2ωρες διαλέξεις (1.5 Εβδομάδα). - Ενότητα 5: Εξισώσεις Poisson – Laplace.
Στην Ενότητα 5 παρουσιάζονται οι εξισώσεις Poisson και Laplace μέ τη βοήθεια του Ν. Gauss και τη χρήση τής έννοιας του βαθμωτού δυναμικού. Παρουσιαζονται χαρακτηριστικά παραδείγματα επίλυσης των εξισώσεων Poisson – Laplace με έμφαση στην εφαρμογή της εξίσωσης Poisson στην περίπτωση των ημιαγωγών. Η διδασκαλία της Ενότητας 5 περιλαμβάνει 2 2ωρες διαλέξεις (1 Εβδομάδα). - Ενότητα 6: Εισαγωγή στην έννοια του Μαγνητικού Πεδίου μέσω του Ν. Biot-Savart. Ν. Ampere (Ολοκληρωτική & Διαφορική μορφή). Μαγνητική Ροή, Βαθμωτό – Διανυσματικό Δυναμικό και Μαγνητικό Πεδίο.
Στην Ενότητα 6 χρησιμοποιείται η προϋπάρχουσα γνώση του Ν. Biot-Savart προκειμένου να παρουσιασθεί η έννοια του Μαγνητικού Πεδίου. Με την παρουσίαση του Ν. Ampere σε ολοκληρωτική και διαφορική μορφή δημιουργείται το πλαίσιο συσχέτισης ανάμεσα στο μόνιμο μαγνητικό πεδίο και το ρεύμα ως πηγή του. Η προσθήκη της έννοιας της μαγνητικής ροής και της πυκνότητας της μαγνητικής ροής, μέσω του Ν. Gauss, ολοκληρώνει το σύστημα των εξισώσεων Maxwell (σε ολοκληρωτική και διαφορική μορφή) που περιγράφουν τα μόνιμα μαγνητικά πεδία. Τέλος, και σε αναλογία με το Ηλεκτροστατικό υπόδειγμα, παρουσιάζονται οι έννοιες του βαθμωτού και του διανυσματικού μαγνητικού δυναμικού σε συνάρτηση με την ένταση του μαγνητικού πεδίου και την πυκνότητα της μαγνητικής ροής.
Η διδασκαλία της Ενότητας 6 περιλαμβάνει 4 2ωρες διαλέξεις (2 Εβδομάδες). - Ενότητα 7: Μαγνητικά Υλικά: Ιδιότητες και Οριακές Συνθήκες. Μαγνητικές Δυνάμεις – Μαγνητική Ροπή. Ενέργεια Μαγνητικού Πεδίου. H έννοια της Επαγωγής.
Η Ενότητα 7 εξετάζει το ζήτημα των δυνάμεων και των ροπών που ασκούνται σε ρευματικές κατανομές αγώγιμων διατάξεων παρουσία μαγνητικού πεδίου. Έμφαση δίδεται σε εφαρμογές όπως για παράδειγμα του ηλεκτρικού κινητήρα. Επίσης, η γνώση της επίδρασης του μαγνητικού πεδίου σε ένα βρόχο που διαρρέται από ρεύμα επιτρέπει την παρουσίαση των ιδιοτήτων των μαγνητικών υλικών, των μαγνητικών κυκλωμάτων, των δυνάμεων που ασκούνται σε μαγνητικά υλικά καθώς και των εννοιών της αυτεπαγωγής και της αμοιβαίας επαγωγής. Η διδασκαλία της Ενότητας 7 περιλαμβάνει 5 2ωρες διαλέξεις (2.5 Εβδομάδες).
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ
Εργασίες επίλυσης προβλημάτων υπολογιστικού ηλεκτρομαγνητισμού ανά θεωρητική ενότητα (15% )
Γραπτή τελική εξέταση επί του συνόλου της διδαχθείσας ύλης, η οποία περιλαμβάνει την επίλυση προβλημάτων υπολογιστικού ηλεκτρομαγνητισμού (85%).
ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
- Θ. Δ. Τσιμπούκης, Ν. Β. Κανταρτζής. Εφαρμοσμένος Ηλεκτρομαγνητισμός, University Studio Press, 2017.
- Ι. Τσαλαμέγκας, Ι. Ρουμελιώτης , Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία (Τόμος Α), Τζιόλας, 2015.
- Ι. Ρουμελιώτης, Ι. Τσαλαμέγκας, Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία (Τόμος Β), Τζιόλας, 2013.
- W.H. Hayt, J. A. Buck, Engineering Electromagnetics (8th Edition), McGraw Hill, 2012.
- R. Feynman, M. Sands, Οι διαλέξεις Φυσικής του Feynman – Τόμος Β: Ηλεκτρομαγνητισμός και Ύλη, Εκδόσεις Τζιόλα, 2009.
- H.D. Young, Πανεπιστημιακή Φυσική, τόμος Β, Εκδόσεις Παπαζήση, 2010.
- H.C Ohanian, Φυσική τόμος Β: Ηλεκτρομαγνητισμός –Οπτική, Εκδόσεις Συμμετρία, 1991.