פרק 13 - אנרגיה: Difference between revisions

From EM Fields - TAU
Jump to navigation Jump to search
No edit summary
No edit summary
 
(10 intermediate revisions by 3 users not shown)
Line 1: Line 1:
<div lang="he" dir="rtl" class="mw-content-rtl">
<div lang="he" dir="rtl" class="mw-content-rtl">
== אנרגיה ==
== אנרגיה בחומר ==


=== משפט פוינטינג ===
=== משפט פוינטינג ===
בוואקום ראינו את משפט פוינטינג:<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = \frac{\partial}{\partial t}\underbrace{(\frac{\epsilon_0}{2}|\vec E|^2+\frac{\mu_0}{2}|\vec H|^2)}_{\text{stored energy}} +\underbrace{\vec E \cdot \vec J}_{\text{conduction power} } </math>מה קורה בחומר?<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = -(\nabla\times\vec E)\cdot\vec H + \vec E\cdot(\nabla\times\vec H) = -\vec H\cdot\underbrace{(-\partial_t\vec B)}_{Faraday} + \vec E\cdot\underbrace{(\vec J + \partial_t\vec D)}_{Amper}= \vec H\cdot(\partial_t\vec B) + \vec E\cdot(\vec J + \partial_t\vec D) </math>כאשר במעבר הראשון השתמשנו בזהות הוקטורית האהובה:<math display="block">\nabla\cdot(A \times B) = B\cdot(\nabla\times A) - A\cdot(\nabla\times B) </math>נשתמש בהגדרות המוכרות:<math display="block">\vec D = \epsilon_0\vec E + \vec P \quad ,\quad  \vec B = \mu_0(\vec H +\vec M) \quad , \quad \vec J = \underbrace{\vec J_{cond}}_{conduction} +\underbrace{\vec J_s}_{source}  </math>נציב במשוואה שפיתחנו למשפט פוינטינג ונקבל:<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = \vec H\cdot\partial_t[\mu_0(\vec H+\vec M)] + \vec E\cdot\partial_t[\epsilon_0\vec E + \vec P]+ \vec E\cdot(\vec J_s + \vec J_{cond}) </math>נסתכל על כל רכיבי המשוואה:<math display="block">-\nabla\cdot(\underbrace{\vec E \times \vec H}_{\vec S}) = \underbrace{\vec H\cdot\partial_t(\mu_0\vec H)}_{W_H} + \underbrace{\vec H\cdot\underbrace{\partial_t(\mu_0\vec M)}_{\vec J_m}}_{P_H} + \underbrace{\vec E\cdot\partial_t(\epsilon_0\vec E)}_{W_E} + \underbrace{\vec E\cdot\underbrace{\partial_t\vec P}_{\vec J_p}}_{P_E}+ \underbrace{\vec E\cdot\vec J_s}_{P_S} + \underbrace{\vec E\cdot\vec J_{cond}}_{P_{cond}=\sigma|\vec E|^2} </math>כאשר הגדרנו:
בוואקום ראינו את משפט פוינטינג:<math display="block">-\nabla\cdot
\underbrace{(\vec E \times \vec H)}_{\vec S}
= \frac{\partial}{\partial t}\underbrace{(\frac{\epsilon_0}{2}|\vec E|^2+\frac{\mu_0}{2}|\vec H|^2)}_{\text{stored energy}} +\underbrace{\vec E \cdot \vec J}_{\text{conduction power} } </math>
כעת, לאחר שפתרנו את משוואות מקסוול בחומר ורכשנו הבנה על התגובה של חומרים לשדות הפועלים בתוכם, ננסה להבין את ההשפעה של מאזן האנרגיה בבעיה.
לצורך כך, נביט על:
<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = -(\nabla\times\vec E)\cdot\vec H + \vec E\cdot(\nabla\times\vec H) = -\vec H\cdot\underbrace{(-\partial_t\vec B)}_{Faraday} + \vec E\cdot\underbrace{(\vec J + \partial_t\vec D)}_{Amper}= \vec H\cdot(\partial_t\vec B) + \vec E\cdot(\vec J + \partial_t\vec D) </math>
כאשר במעבר הראשון השתמשנו בזהות הוקטורית האהובה:
<math display="block">\nabla\cdot(A \times B) = B\cdot(\nabla\times A) - A\cdot(\nabla\times B) </math>
נשתמש בהגדרות המוכרות:
<math display="block">\vec D = \epsilon_0\vec E + \vec P \quad ,\quad  \vec B = \mu_0(\vec H +\vec M) \quad , \quad \vec J = \underbrace{\vec J_{cond}}_{conduction} +\underbrace{\vec J_s}_{source}  </math>
נציב במשוואה שפיתחנו למשפט פוינטינג ונקבל:
<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = \vec H\cdot\partial_t[\mu_0(\vec H+\vec M)] + \vec E\cdot\partial_t[\epsilon_0\vec E + \vec P]+ \vec E\cdot(\vec J_s + \vec J_{cond}) </math>
נסתכל על כל רכיבי המשוואה:
<math display="block">-\nabla\cdot(\underbrace{\vec E \times \vec H}_{\vec S}) = \underbrace{\vec H\cdot\partial_t(\mu_0\vec H)}_{\partial_t W_H} + \underbrace{\vec H\cdot\underbrace{\partial_t(\mu_0\vec M)}_{\vec J_m}}_{P_H} + \underbrace{\vec E\cdot\partial_t(\epsilon_0\vec E)}_{\partial_t W_E} + \underbrace{\vec E\cdot\underbrace{\partial_t\vec P}_{\vec J_p}}_{P_E}+ \underbrace{\vec E\cdot\vec J_s}_{P_S} + \underbrace{\vec E\cdot\vec J_{cond}}_{P_{cond}=\sigma|\vec E|^2} </math>
כאשר הגדרנו:
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|+הגדרות
|+הגדרות
Line 14: Line 28:
|<math>\frac{Watt}{m^2}</math>
|<math>\frac{Watt}{m^2}</math>
|-
|-
|<math>W_H</math>
|<math>\partial_t W_H=\partial_t \left(\frac{1}{2}\epsilon_0|\vec{E}|^2\right)</math>
|צפיפות האנרגיה האגורה בשדה המגנטי
|צפיפות ההספק המושקעת בבניית האנרגיה המגנטית האגורה בשדה המגנטי H
|<math>\frac{Joule}{m^3}</math>
|<math>\frac{Watt}{m^3}</math>
|-
|-
|<math>W_E</math>
|<math>\partial_t W_E=\partial_t \left(\frac{1}{2}\mu_0|\vec{H}|^2\right)</math>
|צפיפות האנרגיה האגורה בשדה החשמלי
|צפיפות ההספק המושקעת בבניית האנרגיה החשמלית האגורה בשדה החשמלי E
|<math>\frac{Joule}{m^3}</math>
|<math>\frac{Watt}{m^3}</math>
|-
|-
|<math>P_H</math>
|<math>P_H</math>
Line 43: Line 57:
גם רואים את זה מהספק ההולכה, שאנחנו יודעים ויודעות שמבזבז אנרגיה במקרה האוהמי הפשוט.
גם רואים את זה מהספק ההולכה, שאנחנו יודעים ויודעות שמבזבז אנרגיה במקרה האוהמי הפשוט.


=== הספק מקורות ===
=== הספק מקורות (איור 1) ===
<math display="block">\vec E \cdot \vec J < 0 \Rightarrow \text{Providing Energy} </math><math display="block">\vec E \cdot \vec J > 0 \Rightarrow \text{dissipating Energy} </math>
[[File:Pic1301.png|300px|thumb|left|איור 1]]
 
במקור <math>\vec E</math> ו <math>\vec J</math> בכיוונים הפוכים, ולכן <math>\vec E \cdot \vec J <0</math> ויש הספק שמסופק ע"י המקור.<math display="block">\vec E \cdot \vec J < 0 \Rightarrow \text{Providing Energy} </math><math display="block">\vec E \cdot \vec J > 0 \Rightarrow \text{dissipating Energy} </math>


=== הספק פולריזציה ===
=== הספק פולריזציה (איור 2) ===
כאשר נחזור חזרה, נקבל את אותה עבודה, אך בסימן שלילי, ולכן <math>W_{p,\ 0\rightarrow E_0 \rightarrow 0} = 0 </math>.<math display="block">P_p = \vec E \cdot\partial_t\vec P \Rightarrow W_p = \int_{t_1}^{t_2}\vec E\cdot\partial_t\vec P\cdot dt  = \int_{t_1}^{t_2}\vec E\cdot\frac{\partial\vec P}{\partial t}\cdot dt = \int_{P_1}^{P_2}\vec E\cdot d\vec P  </math>במקרה מחזורי <math>E_0\rightarrow -E_0 \rightarrow E_0 </math>, לדוגמה <math>E(t) = E_0\cos(\omega t) </math>, ההפסד במחזור שלם הוא שטח הלולאה <math>W_{p,\ 0\rightarrow E_0 \rightarrow 0} > 0 </math>.
[[File:Pic1302.png|500px|thumb|center|איור 2]]
אם נסתכל על מקרה של חומר פסיבי, המתואר בצד שמאל של איור 2, ונחשב את העבודה המושקעת בבניית הפולריזציה מ-0 עד לערך מסוים, ע"י
<math display="block">P_p = \vec E \cdot\partial_t\vec P \Rightarrow W_p = \int_{t_1}^{t_2}\vec E\cdot\partial_t\vec P\cdot dt  = \int_{t_1}^{t_2}\vec E\cdot\frac{\partial\vec P}{\partial t}\cdot dt = \int_{P_1}^{P_2}\vec E\cdot d\vec P  </math>
נקבל ערך חיובי. אם כעת נחזור חזרה למצב ללא פולריזציה נקבל <math>W_{p,\ 0\rightarrow E_0 \rightarrow 0} = 0 </math>.
לעומת זאת, בחומר המאופיין על ידי לולאת היסטרזיס, כפי שמתואר בצד ימין של איור 2, העבודה המושקעת בבניית הפולריזציה לא "מוחזרת" במלואה כאשר הפולריזציה יורדת חזרה. מאחר והאינטגרציה בשני הכיוונים מתבצעת על קווים שונים בתרשים (כתום וכחול, או צהוב וכחול, כתלות במצב ההתחלתי).
 
במקרה מחזורי  
<math>E_0\rightarrow -E_0 \rightarrow E_0 </math>, לדוגמה <math>E(t) = E_0\cos(\omega t) </math>,  
ההפסד במחזור שלם הוא שטח הלולאה  
<math>W_{p,\ 0\rightarrow E_0 \rightarrow 0} > 0 </math>.


==== הספק פולריזציה - חומר דיאלקטרי ====
==== הספק פולריזציה - חומר דיאלקטרי ====
<math display="block">P_p = \vec E \cdot\partial_t\vec P = \vec E\cdot\partial_t\epsilon_0\chi_E\vec E  </math>אם <math>\chi_E  </math> לא תלוי בזמן, ניתן לרשום:<math display="block">P_p = \vec E \cdot\partial_t\vec P = \epsilon_0\chi_E\vec E\cdot\partial_t\vec E = \epsilon_0\chi_E\cdot\frac{1}{2}\partial_t|\vec E|^2  </math>ניתן במקרה זה "לצרף" את הספק הפולריזציה לאנרגיה האגורה.<math display="block">W_E + W_P =  \frac{1}{2}\partial_t\epsilon_0|\vec E|^2+\frac{1}{2}\partial_t\epsilon_0\chi_E|\vec E|^2=\frac{1}{2}\partial_t(1+\chi_E)|\vec E|^2\epsilon_0 = \frac{1}{2}\partial_t\epsilon|\vec E|^2 = W_{E,material}  </math>
<math display="block">P_p = \vec E \cdot\partial_t\vec P = \vec E\cdot\partial_t\epsilon_0\chi_E\vec E  </math>
אם  
<math>\chi_E  </math>  
לא תלוי בזמן, ניתן לרשום:
<math display="block">P_p = \vec E \cdot\partial_t\vec P = \epsilon_0\chi_E\vec E\cdot\partial_t\vec E = \epsilon_0\chi_E\cdot\frac{1}{2}\partial_t|\vec E|^2  </math>
ניתן במקרה זה "לצרף" את הספק הפולריזציה לאנרגיה האגורה.
<math display="block">W_E + W_P =  \frac{1}{2}\partial_t\epsilon_0|\vec E|^2+\frac{1}{2}\partial_t\epsilon_0\chi_E|\vec E|^2=\frac{1}{2}\partial_t(1+\chi_E)|\vec E|^2\epsilon_0 = \frac{1}{2}\partial_t\epsilon|\vec E|^2 = W_{E,material}  </math>


=== הספק מגנוט ===
=== הספק מגנטי ===
הגדרנו את צפיפות הספק המגנטיזציה כך:<math display="block">P_m = \vec H\cdot\mu_0\frac{\partial \vec M}{\partial t}  </math>לכן, נוכל לחשב את הספק המגנוט:<math display="block">\Rightarrow W_m = \int_{t_1}^{t_2}\vec H\cdot\mu_0\frac{\partial \vec M}{\partial t}dt = \mu_0\int_{M_1}^{M_2}\vec H\cdot d\vec M  </math>
הגדרנו את צפיפות הספק המגנטיזציה כך:<math display="block">P_m = \vec H\cdot\mu_0\frac{\partial \vec M}{\partial t}  </math>לכן, נוכל לחשב את ההספק המגנטי:<math display="block">\Rightarrow W_m = \int_{t_1}^{t_2}\vec H\cdot\mu_0\frac{\partial \vec M}{\partial t}dt = \mu_0\int_{M_1}^{M_2}\vec H\cdot d\vec M  </math>אם החומר מגיב ע"י:
<math display="block">M = \chi_m \vec H</math>אז התמונה זהה למצב של חומר דיאלקטרי.


=== משפט פוינטינג בחומרים לינאריים ===
=== משפט פוינטינג בחומרים לינאריים ===
אם יש חומר לינארי לגמרי שבו <math>\vec D = \epsilon\vec E \ ,\ \vec B = \mu\vec H    </math> אז ניתן לכתוב את משפט פוינטינג באופן הבא:<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = \frac{\partial}{\partial t}(\frac{\epsilon}{2}|\vec E|^2)+\frac{\partial}{\partial t}(\frac{\mu}{2}|\vec H|^2) + \sigma|\vec E|^2 + \vec E \cdot \vec J_S  </math>
אם יש חומר לינארי לגמרי שבו  
<math>\vec D = \epsilon\vec E \ ,\ \vec B = \mu\vec H    </math>
 
אז ניתן לכתוב את משפט פוינטינג באופן הבא:
 
<math display="block">-\nabla\cdot(\vec E \times \vec H) = \frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\epsilon}{2}|\vec E|^2\right)+\frac{\partial}{\partial t}\left(\frac{\mu}{2}|\vec H|^2\right) + \sigma|\vec E|^2 + \vec E \cdot \vec J_S  </math>
 
כלומר, בחומר לינארי ניתן להגדיר מחדש את הביטויים לאנרגיה האגורה כך שיכללו את תכונות החומר, הבאות לידי ביטוי בערכי הפרמיטיביות <math>\epsilon </math> והפרמאביליות <math>\mu </math>.
</div>

Latest revision as of 08:47, 5 May 2025

אנרגיה בחומר[edit | edit source]

משפט פוינטינג[edit | edit source]

בוואקום ראינו את משפט פוינטינג:(E×H)S=t(ϵ02|E|2+μ02|H|2)stored energy+EJconduction power כעת, לאחר שפתרנו את משוואות מקסוול בחומר ורכשנו הבנה על התגובה של חומרים לשדות הפועלים בתוכם, ננסה להבין את ההשפעה של מאזן האנרגיה בבעיה. לצורך כך, נביט על: (E×H)=(×E)H+E(×H)=H(tB)Faraday+E(J+tD)Amper=H(tB)+E(J+tD) כאשר במעבר הראשון השתמשנו בזהות הוקטורית האהובה: (A×B)=B(×A)A(×B) נשתמש בהגדרות המוכרות: D=ϵ0E+P,B=μ0(H+M),J=Jcondconduction+Jssource נציב במשוואה שפיתחנו למשפט פוינטינג ונקבל: (E×H)=Ht[μ0(H+M)]+Et[ϵ0E+P]+E(Js+Jcond) נסתכל על כל רכיבי המשוואה: (E×HS)=Ht(μ0H)tWH+Ht(μ0M)JmPH+Et(ϵ0E)tWE+EtPJpPE+EJsPS+EJcondPcond=σ|E|2 כאשר הגדרנו:

הגדרות
סימון משמעות יחידות
S וקטור פוינטינג - וקטור צפיפות שטף ההספק Wattm2
tWH=t(12ϵ0|E|2) צפיפות ההספק המושקעת בבניית האנרגיה המגנטית האגורה בשדה המגנטי H Wattm3
tWE=t(12μ0|H|2) צפיפות ההספק המושקעת בבניית האנרגיה החשמלית האגורה בשדה החשמלי E Wattm3
PH צפיפות הספק המגנטיזציה Wattm3
PE צפיפות הספק הפולריזציה Wattm3
PS צפיפות הספק המקורות Wattm3
Pcond צפיפות הספק ההולכה Wattm3

איברים חיוביים - הספק מתבזבז. למה?

גם רואים את זה מהספק ההולכה, שאנחנו יודעים ויודעות שמבזבז אנרגיה במקרה האוהמי הפשוט.

הספק מקורות (איור 1)[edit | edit source]

איור 1

במקור E ו J בכיוונים הפוכים, ולכן EJ<0 ויש הספק שמסופק ע"י המקור.EJ<0Providing EnergyEJ>0dissipating Energy

הספק פולריזציה (איור 2)[edit | edit source]

איור 2

אם נסתכל על מקרה של חומר פסיבי, המתואר בצד שמאל של איור 2, ונחשב את העבודה המושקעת בבניית הפולריזציה מ-0 עד לערך מסוים, ע"י Pp=EtPWp=t1t2EtPdt=t1t2EPtdt=P1P2EdP נקבל ערך חיובי. אם כעת נחזור חזרה למצב ללא פולריזציה נקבל Wp, 0E00=0. לעומת זאת, בחומר המאופיין על ידי לולאת היסטרזיס, כפי שמתואר בצד ימין של איור 2, העבודה המושקעת בבניית הפולריזציה לא "מוחזרת" במלואה כאשר הפולריזציה יורדת חזרה. מאחר והאינטגרציה בשני הכיוונים מתבצעת על קווים שונים בתרשים (כתום וכחול, או צהוב וכחול, כתלות במצב ההתחלתי).

במקרה מחזורי E0E0E0, לדוגמה E(t)=E0cos(ωt), ההפסד במחזור שלם הוא שטח הלולאה Wp, 0E00>0.

הספק פולריזציה - חומר דיאלקטרי[edit | edit source]

Pp=EtP=Etϵ0χEE אם χE לא תלוי בזמן, ניתן לרשום: Pp=EtP=ϵ0χEEtE=ϵ0χE12t|E|2 ניתן במקרה זה "לצרף" את הספק הפולריזציה לאנרגיה האגורה. WE+WP=12tϵ0|E|2+12tϵ0χE|E|2=12t(1+χE)|E|2ϵ0=12tϵ|E|2=WE,material

הספק מגנטי[edit | edit source]

הגדרנו את צפיפות הספק המגנטיזציה כך:Pm=Hμ0Mtלכן, נוכל לחשב את ההספק המגנטי:Wm=t1t2Hμ0Mtdt=μ0M1M2HdMאם החומר מגיב ע"י: M=χmHאז התמונה זהה למצב של חומר דיאלקטרי.

משפט פוינטינג בחומרים לינאריים[edit | edit source]

אם יש חומר לינארי לגמרי שבו D=ϵE , B=μH

אז ניתן לכתוב את משפט פוינטינג באופן הבא:

(E×H)=t(ϵ2|E|2)+t(μ2|H|2)+σ|E|2+EJS

כלומר, בחומר לינארי ניתן להגדיר מחדש את הביטויים לאנרגיה האגורה כך שיכללו את תכונות החומר, הבאות לידי ביטוי בערכי הפרמיטיביות ϵ והפרמאביליות μ.