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9/15/2017 1 Lecture 2 Slide 1 EE 5337 Computational Electromagnetics Lecture #2 Maxwell’s Equations These notes may contain copyrighted material obtained under fair use rules. Distribution of these materials is strictly prohibited Instructor Dr. Raymond Rumpf (915) 747‐6958 [email protected] Outline Maxwell’s equations Physical Boundary conditions Parameter relations Preparing Maxwell’s equations for CEM The wave equation and its solutions Scaling properties of Maxwell’s equations Lecture 2 Slide 2

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9/15/2017

1

Lecture 2 Slide 1

EE 5337

Computational Electromagnetics

Lecture #2

Maxwell’s Equations

These notes may contain copyrighted material obtained under fair use rules.  Distribution of these materials is strictly prohibited  

InstructorDr. Raymond Rumpf(915) 747‐[email protected]

Outline

• Maxwell’s equations

• Physical Boundary conditions

• Parameter relations

• Preparing Maxwell’s equations for CEM

• The wave equation and its solutions

• Scaling properties of Maxwell’s equations

Lecture 2 Slide 2

9/15/2017

2

Lecture 2 Slide 3

Maxwell’s Equations

Born

Died

June 13,1831Edinburgh, Scotland

November 5, 1879Cambridge, England

James Clerk Maxwell

Lecture 2 Slide 4

Sign Conventions for Waves

To describe a wave propagating the positive z direction, we have two choices:

, cosE z t A t kz

, cosE z t A t kz

Most common in engineering

Most common science and physics

Both are correct, but we must choose a convention and be consistent with it.  For time‐harmonic signals, this becomes

expE z A jkz

expE z A jkz

Negative sign convention

Positive sign convention

9/15/2017

3

Lecture 2 Slide 5

Summary of Sign Conventions

Lecture 2 Slide 6

Summary of Sign Conventions

9/15/2017

4

Lecture 2 Slide 7

Lorentz Force Law

F qE qv B

Magnetic ForceElectric Force

One additional equation is needed to completely describe classical electromagnetism...

Lecture 2 Slide 8

Alternate Forms of Maxwell’s Equations

Maxwell’s Equations with Gaussian Units

0

1free2 0

F J

e F J D

Relativistic Maxwell’s Equations

Maxwell’s Equations in Moving Media

0

0

14

14 4

1

v

v

BD E B v

c t

DB H J D v

c t

0

0

14

14 4

v

v

BD E

c t

DB H J

c t

9/15/2017

5

Lecture 2 Slide 9

Time‐Harmonic Maxwell’s Equations

Time‐Domain

0

v

BD E

t

DB H J

t

Frequency‐Domain(e+jkz convention)

0vD E j B

B H J j D

Frequency‐Domain(e-jkz convention)

0vD E j B

B H J j D

Lecture 2 Slide 10

Gauss’s Law

Electric fields diverge from positive charges and converge on negative charges.

vD

yx zDD D

Dx y z

If there are no charges, electric fields must form loops.

9/15/2017

6

Lecture 2 Slide 11

Gauss’s Law for Magnetism

Magnetic fields always form loops.

0B

yx zBB B

Bx y z

Lecture 2 Slide 12

Consequence of Zero DivergenceThe divergence theorems force the D and B fields to be perpendicular to the propagation direction of a plane wave.

k D

0

0jk r

D

de

d

no charges

0

0

jk d

k d

k

k

k B

0

0jk r

B

be

b

no charges

0

0

jk b

k b

k

k

9/15/2017

7

Lecture 2 Slide 13

Ampere’s Law with Maxwell’s Correction

DH J

t

ˆ ˆ ˆy yx xz zx y z

H HH HH HH a a a

y z z x x y

Circulating magnetic fields induce currents and/or time varying electric fields.

Currents and/or time varying electric fields induce circulating magnetic fields.

H

DJ

t

Lecture 2 Slide 14

Faraday’s Law of Induction

BE

t

ˆ ˆ ˆy yx xz zx y z

E EE EE EE a a a

y z z x x y

Circulating electric fields induce time varying magnetic fields.Time varying magnetic fields induce circulating electric fields.

E

B t

9/15/2017

8

Lecture 2 Slide 15

Consequence of Curl Equations

The curl equations predict electromagnetic waves!!

Electric Field

Magnetic Field

Lecture 2 16

The Constitutive Relations

Electric Response

ED

Magnetic Response

HB

• Electric field intensity (V/m)• Initial electric “push.”• Induced electric field.• Electric energy in vacuum.

• Permittivity (F/m)• Measure of how well a material stores electric energy.

• Electric flux density (C/m2)• Pretends as if all electric energy is displaced charge.

• Includes electric energy in vacuum and matter.

• Magnetic field intensity (A/m)• Initial magnetic “push.”• Induced magnetic field.• Magnetic energy in vacuum.

• Permeability (H/m)• Measure of how well a material stores magnetic energy.

• Magnetic flux density (Wb/m2)• Pretends as if all magnetic energy is tilted magnetic dipoles.

• Includes magnetic energy in vacuum and matter.

9/15/2017

9

Lecture 2 17

Material Classifications

Linear, isotropic and non‐dispersive materials:

Dispersive materials:

D t E t

Anisotropic materials:

D t t E t

D t E t

Nonlinear materials:

1 2 32 30 0 0e e eD t E t E t E t

We will use this almost exclusively

A key point is that you can wrap all of the complexities associated with modeling strange materials into this single equation. This will make your code more modular and easier to modify.  It may not be as efficient as it could be though.

Lecture 2 18

Types of Anisotropy

D t E t

B t H t

Isotropic

D t E t

B t H t

Anisotropic

D t E t

B t H t

Gryrotropic

D t E t H

B t H t E

Bi‐Isotropic Bi‐Anisotropic

aa ab ac

ba bb bc

ca cb cc

aa ab ac

ba bb bc

ca cb cc

electrically anisotropic magnetically anisotropic

1 2

2 1

3

0

0

0 0

j

j

1 2

2 1

3

0

0

0 0

j

j

gyroelectric gyromagnetic

D t E t H

B t H t E

iso

iso iso

iso

0 0

0 0

0 0

o

o

e

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

a

b

c

isotropic

uniaxial

biaxial

9/15/2017

10

Lecture 2 Slide 19

All Together Now…

Divergence Equations

0

v

B

D

DH J

t

BE

t

Curl Equations

Constitutive Relations

D t t E t

B t t H t

What produces fields

How fields interact with materials

means convolution

means tensor

Lecture 4 Slide 20

Maxwell’s Equations in Cartesian Coordinates (1 of 4)Vector Terms

ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ

x x y y z z

x x y y z z

E E a E a E a

D D a D a D a

ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ ˆ

x x y y z z

x x y y z z

H H a H a H a

B B a B a B a

ˆ ˆ ˆx x y y z zJ J a J a J a

Divergence Equations

0

0yx z

D

DD D

x y z

0

0yx z

B

BB B

x y z

9/15/2017

11

Lecture 4 Slide 21

Maxwell’s Equations in Cartesian Coordinates (2 of 4)Constitutive Relations

D E

ˆ ˆˆ ˆˆˆy y yx x xx x xy y xz zz z zx x zy y zx x yyx y z zy zy zzD D a Ea E ED a E E EE aa a E E

y yx x y

z zx x

x xx x xy y xz z

zy y zz z

y y yz zD E E

D E

D E E E

E

E E

B H x xx x xy y xz z

y yx x yy y yz z

z zx x zy y zz z

B H H H

B H H H

B H H H

Lecture 4 Slide 22

Maxwell’s Equations in Cartesian Coordinates (3 of 4)Curl Equations

BE

t

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆy yx xz zx y z x x y y z z

E EE EE Ea a a B a B a B a

y z z x x y t

ˆ ˆ ˆˆ ˆˆy xzx x

yx zy

y x zz zy

E E Ba a

E BEa

BE Ea a

y z tx tx ya

z t

y x

z

z

x

z

yx

yE BE

y z t

BE E

zE E B

x y

x t

t

9/15/2017

12

Lecture 4 Slide 23

Maxwell’s Equations in Cartesian Coordinates (4 of 4)Curl Equations

DH J

t

y

yx zy

y x zz

xzx

DH HJ

z x tH H D

Jx y

H DHJ

y z

t

t

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆy yx xz zx y z x x y y z z x x y y z z

H HH HH Ha a a J a J a J a D a D a D a

y z z x x y t

ˆ ˆˆ ˆ ˆˆy x zy xzx xz z

zy y y z

yx

xDH H

a J az x t

H DHa J a

y z t

H H Da J a

x y t

Lecture 4 Slide 24

Alternative Form of Maxwell’s Equations in Cartesian Coordinates (1 of 2)Alternate Curl Equations

EHt

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ ˆx zy

y

y xz

yx zzx zy zz

y yxz zx xx xy x

x

z x

zyx yy yz y

z

H EEH EH Ha

z x

E

H Ha

x y

EE Ea

t t t

E Ea

a az

t t

y t

t

t t

yx xz zyx yy y

y yx x zzx zy

y yxz zxx

zz

y

z

x xz

EH EH E

z x tH EH E E

x y t

H EEH E

y z

t

t

t

t t t

t

9/15/2017

13

Lecture 4 Slide 25

Alternative Form of Maxwell’s Equations in Cartesian Coordinates (2 of 2)Alternate Curl Equations

HEt

ˆ

ˆˆ ˆ

ˆ

ˆ x y xz

y

y yxz zx xx xy xz

zy

yx zyx yy yz

x zzx zy zz

x

y

z

E EE HHE Ha aa

x y

E

y z t t t

Ea

z x

HH Ha

HH Ha

t t

t

t

t t

yx

y yx

x

y yx x z

z zxx x

zx zy zz

z zyx yy z

y z

y

x

E HE

HE HE H

z x t

H H

x y t t

E HHE

t

H

t

y t t t

t

z

Lecture 2 Slide 26

Physical Boundary Conditions

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14

Lecture 2 Slide 27

Physical Boundary Conditions

Tangential components of E and Hare continuous across an interface.

1,TE 2,TE

1,TH 2,TH

1 1 and 2 2 and

E and H fields normal to the interface are discontinuous across an interface.

Note: Normal components of Dand B are continuous across the interface.

1 1,NE

1 1,NH

2 2,NE

2 2,NH These are more complicated boundary conditions, physically and analytically.

1,Tk 2,TkTangential components of the wave vector are continuous across an interface.

1,ND

1,NB

2,ND

2,NB

Lecture 2 Slide 28

Parameter Relations

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15

Lecture 2 Slide 29

Map of Parameter Relations

E

H

n

0

r

0

r

0

D

B

f

0c

v

0 P

M

Lecture 2 Slide 30

The Relative Permittivity

0 r 12

0 8.854187817 10 F m

The dielectric constant of a material is its permittivity relative to the permittivity of free space.

1 r r is the relative permittivity or dielectric constant

The permittivity is a measure of how well a material stores electric energy.  A circulating magnetic field induces an electric field at the center of the circulation in proportion to the permittivity.

EH

t

j

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16

Lecture 2 Slide 31

The Relative Permeability

0 r 6

0 1.256637061 10 H m

The relative permeability of a material is its permeability relative to the permeability of free space.

1 r r is the relative permeability

The permeability is a measure of how well a material stores magnetic energy.  A circulating electric field induces a magnetic field at the center of the circulation in proportion to the permeability.

HE

t

j

Lecture 2 Slide 32

Conductivity 

H J j D

Conductivity is the measure of a material’s ability to support electric current.  This term is responsible for ohmic loss in materials.

It appears in Ampere’s Circuit Law.

The current density     is related to conductivity and the electric field intensity through Ohm’s Law.

J E

J

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17

Lecture 2 Slide 33

’-j’’ Vs.  and 

H j j E

H E j E

It is redundant to have a complex dielectric constant along with a conductivity term, although it happens.  We should use either a complex dielectric constant or a real dielectric constant and a conductivity.

j j j

jj

Lecture 2 Slide 34

Material ImpedanceThe material impedance is the parameter which describes the balance between the electric and magnetic field amplitudes.

0r

r

E H

It is calculated from the permeability and permittivity of the material.

0 free space impedance

376.73031346177

E

H k

j

Phase between E and H

Amplitude between E and H

Reactive component

Resistive component.Impedance tells us that E and H are three orders of magnitude different.

H

E

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18

Lecture 2 Slide 35

The Complex Refractive Index

r rn

The permittivity and permeability appear in Maxwell’s equations so they are the most fundamental material properties.  However, it is difficult to determine physical meaning from them in terms of how waves propagate (i.e. speed, loss, etc.).  In this case, the refractive index is a more meaningful quantity.

In the frequency‐domain, the refractive index is a complex quantity.

on n j no is the ordinary refractive index.  It quantifies how quickly a wave propagates.

is the extinction coefficient.  It quantifies loss and how quickly a wave decays. 0

0jk nzE z E e

* Note: when only the refractive index n is specified for a material, assume r = 1.0.

Lecture 2 Slide 36

The Complex Propagation Constant, 

0zE z E e

The propagation constant is very close to the complex refractive index.  It describes the speed and decay of a wave.

The propagation constant has a real and imaginary part.

j is the attenuation coefficient.  It quantifies how quickly the amplitude of a wave decays.

is the propagation constant.  It quantifies how quickly a wave accumulates phase. 0

z j zE z E e e

It is related to the complex refractive index through

0jk n

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19

Lecture 2 Slide 37

The Absorption Coefficient, 

0zP z P e

The absorption coefficient describes how quickly the power in a wave decays.

WARNING:  Notice the unfortunate reuse of the symbol  for two different things.   This is easily confused!!

The attenuation coefficient and absorption coefficient are related through

abs att2

The absorption coefficient and extinction coefficient are related through

abs 02k

Lecture 2 Slide 38

Loss Tangent

Sometimes material loss is given in terms of a “loss tangent.”

Recall that interpreting wave properties (velocity and loss) is not intuitive using just the complex dielectric function.  To do this, we preferred the complex refractive index.

It turns out that the loss tangent and the extinction coefficient are essentially the same.

tan

abs

0

2

n k n

It is called a loss tangent because it is the angle in the complex plane formed between the resistive component and the reactive component of the electromagnetic field.

or

or

00

k nzP z P e

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20

Lecture 2 Slide 39

versus f

is the angular frequency measured in radians per second.  It relates more directly to phase and k.  Think cos(t).

f is the ordinary frequency measured in cycles per second.  It relates more directly to time.  Think cos(2ft) and =1/f.

2 f

Lecture 2 Slide 40

Wavelength and Frequency

The frequency f and free space wavelength 0 are related through

0 0c f

Inside a material, the wave slows down according to the refractive index as follows.

0cvn

m0 s299792458 speed of light in vacuumc

9/15/2017

21

Lecture 2 Slide 41

Summary of Parameter Relations

Permittivity

0

120 8.854187817 10 F m

r

Permeability

0

60 1.256637061 10 H m

r

Refractive Index Impedance

r rn 0

0 0 0 376.73031346177

r r

Wave Velocity

0

0 299792458 m s

cv

nc

Exact

Frequency and Wavelength

0 0

2 f

c f

00

Wave Number

2k

Lecture 2 Slide 42

Table of Dielectric Constants and Loss Tangents

Constantine A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, Wiley, 1989.

9/15/2017

22

Lecture 2 Slide 43

Table of Permeabilities

Constantine A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, Wiley, 1989.

Lecture 2 44

Duality Between E‐D and H‐B

Electric Field Magnetic Field

E H

D B

P M

ε μ

9/15/2017

23

Lecture 2 Slide 45

Preparing Maxwell’s Equations

for CEM

Lecture 2 Slide 46

Simplifying Maxwell’s Equations

0

0

B

D

H D t

E B t

D t t E t

B t t H t

1. Assume no charges or current sources: 0, 0v J

0

0

H

E

H j E

E j H

3. Substitute constitutive relations into Maxwell’s equations:

Note: It is useful to retain μ and ε and not replace them with refractive index n.

0

0

B

D

H j D

E j B

D E

B H

2. Transform Maxwell’s equations to frequency‐domain:Convolution becomes simple multiplication

Note: We have chose to proceed with the negative sign convention.

9/15/2017

24

Lecture 2 Slide 47

Isotropic Materials

xx xy xz xx xy xz

yx yy yz yx yy yz

zx zy zz zx zy zz

For anisotropic materials, the permittivity and permeability terms are tensor quantities. 

For isotropic materials, the tensors reduce to a single scalar quantity.

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

Maxwell’s equations can then be written as

0

0

r

r

H

E

0

0

r

r

H j E

E j H

0 and 0 dropped from these equations because they are constants and do not vary spatially.

Lecture 2 Slide 48

Expand Maxwell’s Equations

Divergence Equations

0

0

r

r yr x r z

H

HH H

x y z

0

0

0

0

r

yzr x

x zr y

y xr z

E j H

EEj H

y z

E Ej H

z xE E

j Hx y

Curl Equations

0

0

r

r yr x r z

E

EE E

x y z

0

0

0

0

r

yzr x

x zr y

y xr z

H j E

HHj E

y z

H Hj E

z xH H

j Ex y

9/15/2017

25

Lecture 2 Slide 49

Normalize the Magnetic Field

0 rE j H

0 rH j E

Standard form of “Maxwell’s Curl Equations”

Normalized Magnetic Field

377E

nH

0

0

H j H

Normalized Maxwell’s Equations

0 rE k H

0 rH k E

0 0 0k Note:

Equalizes E and H amplitudes•Eliminates j•No sign inconsistency• Just have k0

Lecture 2 Slide 50

Starting Point for Most CEM

0

0

0

yzxx x

x zyy y

y xzz z

HHk E

y z

H Hk E

z x

H Hk E

x y

0

0

0

yzxx x

x zyy y

y xzz z

EEk H

y z

E Ek H

z xE E

k Hx y

0

0

negative sign convnetion

positive sign convnetion

j HH

j H

We arrive at the following set of equations that are the same regardless of the sign convention used.

The manner in which the magnetic field is normalized does depend on the sign convention chosen.

9/15/2017

26

Lecture 2 Slide 51

The Wave Equation and Its Solutions

Lecture 2 Slide 52

Derivation of the Wave Equation

We start with Maxwell’s curl equations.

0 rE j H

0 rH j E

Equation (1) is solved for the magnetic field.

Eq. (1) Eq. (2)

0 r

jH E

Eq. (3)

Equation (3) is substituted into Eq. (2).

00

20

1

rr

rr

jE j E

E k E

9/15/2017

27

Lecture 2 Slide 53

Two Different Wave Equations

We can derive a wave equation for both E and H.

1 2 1 20 0 r r r rE k E H k H

It is not actually possible to simplify these equations further without making an approximation.  Assuming a linear homogeneous isotropic (LHI) material, the wave equations reduce to

20 r rH k H

H

2 20

2 20 0

r r

r r

H k H

H k H

20 r rE k E

E

2 20

2 20 0

r r

r r

E k E

E k E

We see that these equations will have the same solution since it is the same differential equation!  So, we only have to solve one of them.

Lecture 2 Slide 54

Plane Wave Solution in Homogeneous Media

Given the wave equation in an LHI material,

2 20 0r rE k E

The solution is a plane wave.

0

0

exp

exp

E r E jk r

H r H jk r

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28

Lecture 2 Slide 55

Amplitude Relation

Given plane wave functions of the form

0

0

exp

exp

E r E jk r

H r H jk r

The amplitudes are related through Maxwell’s equations.

0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

r

jk r jk rr

jk r jk rr

r

E j H

E e j H e

j k E e j H e

k E H

0 00

0 0 0r r

k E k EH

k

Lecture 2 Slide 56

IMPORTANT:  Plane Waves are of Infinite Extent

Many times we just draw rays or sometime rays with perpendicular lines to represent the wave fronts.

ray ray + perpendicular lines

Unfortunately, this suggests the wave is confined spatially.  In reality, plane waves are of infinite extent.  Think more this way…

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29

Lecture 2 Slide 57

Solving the Wave Equation as a Scattering Problem

Scattering problems cast the wave equation into the following matrix form.

• A source b is needed • Only one solution exists

1 20r rE k E g

Ax b

1 20

r rk

E g

A

x b

Lecture 2 Slide 58

Solving the Wave Equation as an Eigen‐Value Problem

• No source is needed • Multiple solutions exist

The wave equation can also be solved as an eigen‐value problem.  This approach is used when “modes” are being calculated.

1 20r rE k E

Ax Bx1

20

r r

E k

A B

x

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30

Lecture 2 Slide 59

Wave Equation Vs. Maxwell’s Equations

Wave Equation Maxwell’s Equations

1 20

1 20

r r

r r

E k E

H k H

The most generalized wave equations are

In LHI materials, these reduce to

2 20

2 20

0

0

r r

r r

E k E

H k H

Today, it is rare to see the wave equations solved in this form because it leads to spurious solutions.

The “fixes” to the spurious solutions problem are incorporated into Maxwell’s equations before a wave equation is derived.

00

0 0

0 0

yzyzxx xxx x

x xz zyy y yy y

y x y xzz z zz z

HHEE k Ek Hy zy z

E HE Hk H k E

z x z xE E H Hk H k Ex y x y

Maxwell’s equations expanded into Cartesian coordinates are

These are often written in matrix form as

0 0

0 00 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

z y z yx xx x x xx x

y yy y y yyz x z x

z zz z z zzy x y x

E H H E

E k H H k

E H H

y

z

E

E

Typically, “fixes” are incorporated here and then a wave equation is derived.

1

20

0 00 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

z y z yxx x xx x

yy y yy yz x z x

zz z zz zy x y x

E E

E k E

E E

Lecture 2 Slide 60

Scaling Properties inMaxwell’s Equations

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Lecture 2 Slide 61

Scaling Properties of Maxwell’s Equations

There is no fundamental length scale in Maxwell’s equations.

Devices may be scaled to operate at different frequencies just by scaling the mechanical dimensions or material properties in proportion to the change in frequency.

This assumes it is physically possible to scale systems in this manner.  In practice, building larger or smaller features may not be practical.  Further, the properties of the materials may be different at the new operating frequency.

Lecture 2 Slide 62

Scaling Dimensions

We start with the wave equation and write the parameters dependence on position explicitly.

20 0

1r

r

E r r E rr

Next, we scale the dimensions by a factor a.

20 0

1r

r

a a E r a r a E r ar a

The scale factors multiplying the operators are moved to multiply the frequency term.

2

0 0

1r

r

E r r E rr a

1 stretch dimensions

1 compress dimensions

a

a

The effect of scaling the dimensions is just a shift in frequency.

rr

a

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Lecture 2 Slide 63

Visualization of Size Scaling

fc = 500 MHz

a = 1.0

fc = 1000 MHz

a = 0.5

Lecture 2 Slide 64

Scaling  and We apply separate scaling factors to  and .

20 0

1r

r

E a Ea

The scale factors are moved to multiply the frequency term.

2

0 0

1r

r

E a a E

The effect of scaling the material properties is just a shift in frequency.