Overordnede kursusmål:

Formålet med kurset er at give en introduktion til elektromagnetisme, således at de grundlæggende love der i kurset anvendes på idealiserede specialtilfælde, kan benyttes til at estimeres opførslen af mere realistiske systemer inden for elektroteknik. Udover den klassiske elektromagnetisme skal studerende kunne regne på simple transmissionsliniekredsløb. som er vigtige fx. indenfor højhastigheds digital elektronik og mikrobølgeteknik. Derudover trænes samspillet mellem teoretiske overvejelser, kvantitative udregninger vha. computer programmer såsom Matlab og måling i laboratoriet vha. standard instrumenter såsom oscilloskop, signalgenerator og netværksanalysator. Endelig tænkes kurset som det første af en række for studerende som planlægger en karriere fx inden for antenneteknik eller mikrobølgedesign.

Læringsmål:

En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:

• Beskrive bølger og bølgeudbredelse matematisk i tidsdomænet såvel som med fasornotation, og oversætte mellem disse repræsentationer.
• Beregne udbredelses- og dæmpningskarakteristika i transmissionslinier ud fra fysiske parametre, såsom dimensioner og dielektricitetskonstanter.
• Bestemme spændinger, strømme, transmitteret effekt, osv. i kaskadekoblede transmissionsliniekredsløb med parallelbelastninger (fx stubbe), ved tidsharmoniske signaler.
• Bestemme strømme og spændinger ved indgang og udgang af et transmissionsliniekredsløb, ved transiente signaler.
• Kende feltstørrelserne der indgår i elektrostatik og de konstitutive parametre. Kende Coulumbs lov, Gauss’ lov og begreberne potential, kapacitans og polarisering.
• Benytte viden om det elektriske felts opførsel i ledere og dielektrika, og de tilsvarende grænsebetingelser til at udregne kapacitans i ideelle specialtilfælde. Estimere kapacitans for realistiske strukturer ved analogi til ideelle specialtilfælde.
• Kende feltstørrelserne der indgår i magnetostatik og de konstitutive parametre. Kende Biot-Savarts lov, Gauss’ lov for magnetisme og begrebet induktans.
• Benytte viden om det magnetiske felts opførsel omkring ledere og de tilsvarende grænsebetingelser til at udregne induktans i ideelle specialtilfælde. Estimere induktans for realistiske strukturer ved analogi til ideelle specialtilfælde.
• Benytte Faradays lov til at udregne induceret spænding i simple specialtilfælde. Benytte dette til estimation af ønsket eller uønsket induktiv kobling.
• Give en matematisk beskrivelse af plane bølger i homogene medier og kende til begrebet polarisation.
• Bestemme refleksions- og transmissionskoefficienter for normalt indfald af plane bølger på plane, homogene ledere og dielektrika. Kende begreberne parallel og vinkelret polarisation ved skråt indfald og vælge relevante Fresnel refleksionskoefficient
• Benytte almindelige instrumenter, såsom oscilloskop, netværksanalysator og signalgenerator. Benytte matematisk software fx Matlab til støtte ved beregninger. Vurdere og analysere modeller ved at sammenligne med målinger og vice versa.

Kursusindhold:

- Bølger og fasorer, frekvens, bølgetal, dæmpningskonstant, udbredelseskonstant.
- Transmissionslinier, transmissionslinie parametre (R’, L’, G’, C’), telegrafligningerne, karakteristisk impedans, refleksionskoefficient, transmissionskoefficient, standbølgeforhold, indgangsimpedans, effektflow, Smith kort, tilpasning, stubtilpasning, kvartbølgetransformer, transienter.
- Koaksialkabel, to-tråds transmissionslinie, mikrostrip transmissionslinie.
- Vektor analyse, gradient, divergens, rotation, cylinderkoordinater, kuglekoordinater.
- Elektrostatik, elektriske feltstørrelser, ladning og ladningstæthed, dielektricitetskonstant, Coulombs lov, Gauss’ lov, (elektrisk) potential, perfekte ledere, ledere med tab, isolatorer (dielektrika), polarisering, grænsebetingelser, kapacitans.
- Magnetostatik, magnetiske feltstørrelser, Biot-Savarts lov, Gauss lov for magnetiske felter, magnetiske materialer og permeabilitet, grænsebetingelser, induktans.
- Induktion, Faradays lov, Lenz’ lov, ideel transformer, gensidig induktans.
- Plane bølger, intrinsisk impedans, udbredelseskonstant, linear, cirkulær, og elliptisk polarisation, refleksionskoefficient, parallel og vinkelret polarisation, Fresnel refleksionskoefficienter, Brewster vinkel, Poyntings vektor og power flow.
- Laboratoriemålinger, oscilloskop, signalgenerator, netværksanalysator.
- Simulering, Matlab.

Litteraturhenvisninger:

F.T. Ulaby, E. Michielssen, and U. Ravaioli: "Fundamentals of applied electromagnetics", 6th ed., 2010, Pearson Prentice Hall, ISBN-13: 978-0-13-255008-6.

Bemærk: brug af Matlab (og Maple) på egen PC vil være en fordel. Disse kan hentes via gbar.dtu.dk.

Bemærkninger:

For studerende med studiestart i februar er den vejledende placering i 4. (og ikke i 3.) semester.

Kursusansvarlig:

Johan Jacob Mohr , Bygning 348, rum 214, Tlf. (+45) 4525 3829 , jm@elektro.dtu.dk