Καθηγητές Μαθήματος
Βαρσάμης Χρήστος-Πλάτωνας, Μυτιληναίος Στυλιανός, Σαββαΐδης Στυλιανός
ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Με την ολοκλήρωση του μαθήματος αναμένεται ο φοιτητής/ήτρια να είναι σε θέση:
- να αξιολογεί τη συσχέτιση ανάμεσα στους διάφορους τύπους χρονομεταβλητών πηγών και τα χαρακτηριστικά των Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων που αντιστοιχούν σε αυτές τις πηγές,
- να αξιολογεί τις θεμελιώδεις τεχνολογικές εφαρμογές οι οποίες εδράζονται στη θεωρία των Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων,
- να επιλύει προβλήματα Υπολογιστικού Ηλεκτρομαγνητισμού και να συσχετίζει τα υπολογιζόμενα μεγέθη με βασικές τεχνολογικές εφαρμογές των Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων,
- να αναλύει βασικές τεχνολογικές εφαρμογές που αφορούν το ευρύτερο αντικείμενο του Ηλεκτρολόγου και Ηλεκτρονικού Μηχανικού αναγνωρίζοντας την παρουσία και την επίδραση των Ηλεκτρομαγνητικών 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: Χρονομεταβλητά ΗΜ Πεδία και Εξισώσεις Maxwell (Ολοκληρωτική – Σημειακή μορφή και Οριακές Συνθήκες). Βαθμωτό και Διανυσματικό Δυναμικό.
Η Ενότητα 1 εξετάζει την περίπτωση των χρονομεταβλητών πεδίων βασιζόμενη στην προηγούμενη γνώση των υποδειγμάτων του Ηλεκτροστατικού και του Μόνιμου Μαγνητικού Πεδίου. Με την προσθήκη του Ν. Faraday αλλά και της έννοιας του Ρεύματος Μετατόπισης εξετάζεται η δυνατότητα παραγωγης Ηλεκτρικού Πεδίου λόγω της ύπαρξης χρονομεταβλητού Μαγνητικού Πεδίου καθώς και αντίστροφα η δυνατότητα παραγωγής Μαγνητικού Πεδίου λόγω της ύπαρξης χρονομεταβλητού Ηλεκτρικού Πεδίου. Η απόδειξη της αλληλεξάρτησης των χρονομεταβλητών Ηλεκτρικών και Μαγνητικών Πεδίων επιτρέπει τη διατύπωση μίας διευρυμένης εκδοχής των τεσσάρων εξισώσεων του Maxwell η οποία καλύπτει τα Ηλεκτροστατικά Πεδία, τα Μόνιμα Μαγνητικά Πεδία καθώς και τα χρονομεταβλητά Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία. Τέλος, παρουσιάζονται οι έννοιες του βαθμωτού και του διανυσματικού δυναμικού καθώς και η συσχέτισή τους με την ένταση του χρονομεταβλητού Ηλεκτρικού και Μαγνητικού Πεδίου. Η διδασκαλία της Ενότητας 1 περιλαμβάνει 6 2ωρες διαλέξεις (3 Εβδομάδες). - Ενότητα 2: Το επίπεδο κύμα ως λύση της Κυματικής Εξίσωσης σε μέσα με ή χωρίς απώλειες. Διάνυσμα Poynting – Μέση Ισχύς. Πόλωση Επίπεδου Κύματος.
Η ενότητα 2 εξετάζει την περίπτωση των Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων με αρμονική χρονική εξάρτηση. Διατυπώνονται εκ νέου οι διαφορικές εξισώσεις Maxwell και μέσω αυτών διατυπώνεται η κυματική εξίσωση σε χώρους με και χωρίς απώλειες. Η μελέτη επικεντρώνεται στην περίπτωση του Επίπεδου Κύματος στον ελεύθερο χώρο ως μία λύση της κυματικής εξίσωσης, η οποία βρίσκει
εφαρμογή σε ένα μεγάλος εύρος Ηλεκτρομαγνητικών εφαρμογών. Στο πλαίσιο αυτό παρουσιάζονται έννοιες όπως ο κυματικός αριθμός (ως εν γένει μιγαδικό μέγεθος), το μήκος κύματος, η Πυκνότητα Ισχύος (Διάνυσμα Poynting) και η έννοια της πόλωσης του κύματος. Η διδασκαλία της Ενότητας 2 περιλαμβάνει 5 2ωρες διαλέξεις (2.5 Εβδομάδες). - Ενότητα 3: Ανάκλαση και Μετάδοση/Διάθλαση Επίπεδου Κύματος από επίπεδη διαχωριστική επιφάνεια. Η έννοια του Στάσιμου Κυματος.
Η ενότητα 3 εξετάζει την περίπτωση της ανάκλασης και της μετάδοσης (διάθλασης) επίπεδων κυμάτων από επίπεδες διεπιφάνειες. Στα πλαίσια της μελέτης λαμβάνονται υπόψη τόσο οι περιπτώσεις της τυχαίας γωνίας πρόσπτωσης όσο και της τυχαίας πόλωσης του κύματος. Με αφορμή το φαινόμενο της ανάκλασης πραγματοποιείται μία εισαγωγή στο φαινόμενο της συμβολής των κυμάτων και στην έννοια του στάσιμου κύματος. Η διδασκαλία της Ενότητας 3 περιλαμβάνει 5 2ωρες διαλέξεις (2.5 Εβδομάδες). - Ενότητα 4: Εισαγωγή στις Γραμμές Μεταφοράς και στην Κυματοδήγηση
Η ενότητα 4 αποτελεί μία εισαγωγή στη θεωρία των γραμμών μεταφοράς και της κυματοδήγησης. Με αφετηρία τις εξισώσεις Maxwell διατυπώνονται οι βασικές εξισώσεις των γραμμών μεταφοράς για την περίπτωση διάδοσης εγκάρσιων κυμάτων κατά μήκος δύο απομονωμένων παράλληλων αγωγών. Ως προέκταση της θεωρίας των γραμμών μεταφοράς εξετάζεται η περίπτωση των κυματοδηγών απείρων πλακών ενώ επιπρόσθετα αναλύονται οι ρυθμοί κυματοδήγησης ως λύσεις της κυματικής εξίσωσης. Η διδασκαλία της Ενότητας 4 περιλαμβάνει 5 2ωρες διαλέξεις (2.5 Εβδομάδες). - Ενότητα 5: Εισαγωγή στις Κεραίες
Η ενότητα 5 αποτελεί μία εισαγωγή στον υπολογισμό του Ηλεκτρομαγνητικού Πεδίου που ακτινοβολείται από μία κεραία. Ειδικότερα, χρησιμοποιώντας το διανυσματικό δυναμικό ως ένα ενδιάμεσο μέγεθος υπολογισμού, διατυπώνονται οι γενικές εκφράσεις για το ακτινοβολούμενο Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο, οι οποίες στη συνέχεια εξειδικεύονται για την περίπτωση μίας διπολικής
κεραίας. Η διδασκαλία της Ενότητας 5 περιλαμβάνει 3 2ωρες διαλέξεις (1.5 Εβδομάδες). - Ενότητα 6: Θεώρημα της Μοναδικότητας/Θεωρία Ειδώλων/Δυαδικότητα και Συμπληρωματικότητα
Η ενότητα 6 εξετάζει το θεώρημα της μοναδικότητας και ως προέκτασή του αναλύει τη θεωρία των ειδώλων και τις πρακτικές εφαρμογές της τελευταίας, όπως για παράδειγμα στην περίπωση της ακτινοβολίας πάνω από αγώγιμες επιφάνειες. Τέλος, με τη χρήση των εννοιών του ηλεκτρικού και του μαγνητικού φορτίου και ρεύματος παρουσιάζονται οι αρχές της δυαδικότητας- συμπληρωματικότητας και οι πρακτικές εφαρμογές τους, όπως για παράδειγμα στην περίπωση της ακτινοβολίας μίας σχισμής. Η διδασκαλία της Ενότητας 6 περιλαμβάνει 2 2ωρες διαλέξεις (1 Εβδομάδα).
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.