Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Elektromágneses terek szimulációja

    A tantárgy angol neve: Simulation of Electromagnetic Fields

    Adatlap utolsó módosítása: 2019. április 23.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar
    Mechatronikai mérnöki mesterképzési szak
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIHVM010   2/1/0/v 4  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Gyimóthy Szabolcs, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék
    A tantárgy tanszéki weboldala https://www.hvt.bme.hu
    4. A tantárgy előadója
    NévBeosztásTanszék
    Dr. Bilicz SándordocensSzélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tsz.
    Dr. Gyimóthy SzabolcsdocensSzélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tsz.
    Dr. Pávó Józsefegyetemi tanárSzélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tsz.
    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Matematika, Fizika
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM (Training.Code=("5N-A7") VAGY Training.Code=("5N-M7"))

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    7. A tantárgy célkitűzése
    • Elmélyíteni az elektromágneses terekre vonatkozó ismereteket a klasszikus elektrodinamika mérnöki megközelítésében.
    • Osztályozni és rendszerbe foglalni az elektromágneses jelenségek széles spektrumát, megadni a különböző közelítések modellfeltételeit és kijelölni érvényességük határát.
    • Megismertetni az elektrodinamikával foglalkozó egyes szakterületeken használt fogalmakat, módszereket, valamint bemutatni néhány időszerű alkalmazást a teljesség igénye nélkül.
    • Bemutatni az elektromágnes terek számítógépes szimulációjának korszerű módszereit, valamint néhány szoftver kezelőfelületét.
    • Szempontokat adni a modellalkotáshoz, ezáltal elősegíteni az elektromágneses szimuláció használatát a gépészmérnöki eszköztervezési folyamatban.
    8. A tantárgy részletes tematikája

    1. hét
    Előadás: Az elektrodinamika alapjai. A tér közvetlen forrásai; a teret leíró differenciális és integrális mennyiségek; a Maxwell-egyenletek differenciális és integrális alakja; anyagjellemzők és konstitúciós egyenletek; erőhatások, energiaátalakulás és -áramlás, energiamérleg, beiktatott terek.
    Gyakorlat: A felhasznált matematikai fogalmak és összefüggések átismétlése, különös tekintettel a vektoranalízisre és a komplex algebrára.

    2. hét
    Előadás: Kezdetiérték- és peremérték-feladatok. A Maxwell-egyenletek egyértelmű megoldhatósága. A direkt és inverz feladat fogalma. Az elektrodinamika felosztása, dimenzióanalízis.

    3. hét
    Előadás: Numerikus módszerek. A végeselem-módszer (FEM): a divgrad és a rotrot operátort tartalmazó PDE gyenge alakja; vektoriális elemek; nyílt tartományok kezelése (PML); szingularitások. Az időbeli véges differenciák (FDTD) módszere. A módszerek összehasonlítása; a célravezető módszer megválasztásának szempontjai.
    Gyakorlat: Vektormezők folytonossága közeghatáron. Szuperpozíció-elv alkalmazása és korlátai. Numerikus demonstrációs eszközök bemutatása (Falstad-appletek).

    4. hét
    Előadás: Sztatikus és stacionárius terek. Töltésrelaxáció, közegek osztályozása. Elektrosztatika: feszültség és potenciál, Poisson-egyenlet, tipikus peremfeltételek; elektródák, kapacitások, sztatikus földelés.

    5. hét
    Előadás: Az áramlási tér alapegyenletei, analógia; az ellenállás fogalma. Stacionárius mágneses tér: a vektorpotenciál és a vektoriális Poisson-egyenlet, tipikus peremfeltételek; áramhurkok, ön- és kölcsönös induktivitás.
    Gyakorlat: Áramlási tér a mélyagyi stimulációban, a közeg anizotrópiájának figyelembevétele (FEM). Energiaátviteli transzformátor mágneses tere, nemlineáris közeg modellezése (FEM).

    6. hét
    Előadás: Indukálási jelenségek, indukciótörvény, kapocsfeszültség, „Faraday-paradoxonok”. Térjellemzők transzformálása mozgó koordináta-rendszerek között, kis sebességű közelítések, mozgó közegek modellezése.

    7. hét
    Előadás: Koncentrált paraméterű hálózatok. A koncentrált paraméterű elem fogalma, az izoláció feltétele, pólusok és kapuk fogalma, átmenő és átfogó mennyiségek. Kétpólus-karakterisztikák az idő- és a frekvenciatartományban; a paraméterek származtatása a térmodellből. Speciális n-pólusok (IE, IT). Kétkapu-karakterisztikák, szórási paraméterek. Elektromos és mágneses Kirchoff-egyenletek; kapcsolatuk a Maxwell-egyenletekkel.
    Gyakorlat: Elektromos áramkör analízise papíron és számítógéppel (Qucs). Mágneses kör számítása. Csúszó érintkező modellezése.

    8. hét
    Előadás: Elosztott paraméterű hálózatok. Modellfeltevés, távvezeték-konstrukciók. Távíró egyenletek; a hullámegyenlet és általános megoldása. Komplex amplitúdók, a Helmholtz-egyenlet és általános megoldása, peremfeltételek. A reflexiótényező; haladó és állóhullám.

    9. hét
    Előadás: Elektromágneses hullámok. Komplex térvektorok, Helmholtz-egyenlet, síkhullám-megoldás, távvezeték-analógia. Hullámterjedés ideális dielektrikumban. A hullámszám-vektor. Reflexió és transzmisszió. Polarizáció. Veszteséges közeg, komplex közegjellemzők. Az elektromágneses metaanyag fogalma, homogenizálás.
    Gyakorlat: Hullámjelenségek szemléltetése a távvezetéken (WinTLS). Tekercs nagyfrekvenciás modellje. Illesztett réteg számítása.

    10. hét
    Előadás: Síkhullám vezetőben, behatolási mélység. Magneto-kvázi-stacionárius közelítés, örvényáram-problémák. Áramkiszorítás és közelségi hatás.

    11. hét
    Előadás: Hullámok keltése. A Hertz-dipólus; közeltér és távoltér; teljesítményáramlás. Antennajellemzők: iránykarakterisztika, irányhatás, sugárzási ellenállás.
    Gyakorlat: Fémtárgyba lézerrel beírt vonalkód kiolvasása örvényáramú vizsgálattal. Nagyfrekvenciás árnyékolás.

    12. hét
    Előadás: Közeltéri kvázi-stacionárius közelítés, a Darwin-modell. Csatolt módusok. Az elektromágneses zavarvédelem (EMC/EMI) alapjai.

    13. hét
    Előadás: Fizikai és geometriai optikai közelítés. A Gauss-nyaláb jellemzői. A sugár-, ill. nyalábkövetés módszere.
    Gyakorlat: Rezonancián alapuló, vezeték nélküli energiaátvitel. Radarfelderítés modellezése ray-tracing algoritmussal; radarkeresztmetszet számítása.

    14. hét
    Előadás: Összefoglalás, tartalék

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) A tantárgy elméleti és gyakorlati. A elmélet előadáson történő megtárgyalását általában a gyakorlatokon bemutatott praktikus szimulációs példák megtárgyalása követi. Az előadásokon kivetített animációk és szimulációk bemutatása tovább segítik a tananyag elsajátítását. Az előadásokon és gyakorlatokon felhasznált publikus anyagokat a hallgatók letölthetik. A félév során rendszeren biztosítunk lehetőséget konzultációkra. Érdeklődők számára egyénre szabott szorgalmi feladatokat biztosítunk, amelyek megoldásához a szükséges konzultációs segítséget megadjuk.
    10. Követelmények
    1. A szorgalmi időszakban: Személyre szabott házi feladat, amelyet előre egyeztetett időpontban (előreláthatólag a 8-14. oktatási hét időszakában), egy 10-15 perces szóbeli beszélgetés keretében kell bemutatni. Az aláírás feltétele a házi feladat megfelelő szintű teljesítése.
    2. A vizsgaidőszakban: A vizsga szóbeli, amely mindenek előtt a tanult alapfogalmak és összefüggések értelmezésére, illetve alkalmazására összpontosít. A vizsga során a hallgatók a kiadott tételsor valamely tételét kapják, és annak témaköréhez kapcsolódóan adnak számot ismereteikről. A tétel kidolgozására 15-20 perc felkészülési időt biztosítunk. A szóbeli időtartama tipikusan 15 perc.
    3. Elővizsga: nincs
    11. Pótlási lehetőségek A házi feladat a pótlási héten egy alkalommal pótolható.
    12. Konzultációs lehetőségek A szorgalmi időszakban a tárgy oktatóinak heti fogadóóráján, a vizsgaidőszakban az előre kijelölt napokon lehet konzultálni. A fogadóóra időpontja és helye a tanszéki honlapon (www.hvt.bme.hu) megtalálható.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
    • Az előadó jegyzetei (a tantárgyhoz az adatlap kitöltése során még nem áll rendelkezésre jegyzet, annak legkorábbi megjelenési ideje 2020.)
    • Simonyi Károly, Zombory László, Elméleti villamosságtan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 2000.
    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra42
    Félévközi készülés órákra7
    Felkészülés zárthelyire
    Házi feladat elkészítése16
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása24
    Vizsgafelkészülés31
    Összesen120
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Gyimóthy Szabolcs, docens