Elektromagnetické javy a ich miesto v elektronike

 36. Ako sa ujal „Elektromagnetizmus“?

        Kniha „Elektromagnetizmus“ je na trhu už tri mesiace a možno teda urobiť predbežné hodnotenie záujmu o ňu. Treba znovu pripomenúť, že do predaja prišla začiatkom februára, teda v čase, keď na vysokých školách začína letný semester,  v tom najlepšom čase, keď sa na väčšine fakúlt začína prednášať elektromagnetizmus. Takisto treba znovu pripomenúť, že od roku 2002 nevyšla na Slovensku žiadna učebnica elektromagnetizmu a na knižnom trhu nie je k tejto téme nič. Na Slovenskú sa elektromagnetizmus prednáša v istom rozsahu asi na desiatich univerzitách (napr. na FMFI UK sa tento semester prednáša predmet elektromagnetizmus asi 70 študentom). Nemám podklady preto, aby som povedal, koľko študentov by potrebovalo nejakú učebnicu elektromagnetizmu.

                Kniha „Elektromagnetizmus“ sa zatiaľ predáva iba v internetovom obchode vydavateľstva (IRIS, Vydavateľstvo a tlač, s.r.o.) a tam stojí 27,90 €. Bola dostatočne spropagovaná, vydavateľ pripravil veľké množstvo letákov a ani na Internete nie je ťažko ju nájsť. Stačí kliknuť na odkaz

 http://www.iris-knihy.biznisweb.sk/product/elektromagnetizmus-1426/

alebo

http://bibliostudio.skvelyshop.sk

 a tam si možno knihu aj priamo objednať, na druhej adrese si vraj knihu možno v inernetovom obchode aj pozrieť.

         Predaj učebnice na Internete má svoje výhody, ale aj nevýhody. Výhodou predaja na Internete je relatívne nízka cena knihy. Vo vydavateľstvách na západ od našich hraníc knihy rovnakej kvality stoja rádovo stovky €. V kamennom obchode by uvažovaná kniha u nás stala asi 55.- €.

         Nevýhodou predaja knihy na internete je skutočnosť, že kupujúci nevie čo kupuje. Kupuje tak povedané „mačku vo vreci“. V kamennom obchode, kde by kniha bola prístupná na pulte kupujúci by mal možnosť knihu prelistovať a tak sa rozhodnúť o kúpe, samozrejme za vyššiu cenu.

        Chcel by som preto v tejto úvahe oboznámiť potenciálnych čitateľov s obsahom a zvláštnosťami tejto učebnice.

         Učebnica má rozsah 710 strán, obsahuje 326 riešených úloh, je v tvrdej väzbe s cca 16 000 matematickými vzťahmi, 24 tabuľkami, 540 obrázkami a s 9 fotografiami. Vzhľadom na to, že som ju tvoril už počas pobytu na Strednom Východe a v Nemecku určite sa odlišuje od podobných učebníc napísaných v Čechách a na Slovensku. Aj jeden z recenzentov (Prof. Ing. Matej Rákoš, DrSc.) konštatuje že: „Posudzovaná učebnica je celkom odlišnej, pôvodnej koncepcie spracovania problematiky“. Ďalej v posudku  toto tvrdenie recenzent zdôvodňuje.

         Kniha má jedenásť  kapitol. Prvé štyri kapitoly učebnice sú venované elektrostatike nábojov vo voľnom priestore (vo vákuu), za prítomnosti vodičov a v dielektrikách.

        V tretej kapitole by som chcel upozorniť na sformulované pôvodné pravidlá k riešeniu kapacitných elektrických sieti, podobné Kirchhoffovym pravidlám, určených na riešenie odporových sieti (Kirchhoffove zákony). Doteraz som ich formulované nikde nevidel a pre analýzu striedavých harmonických prúdov sú veľmi potrebné. V knihe sú pravidlá aplikované na analýzu kapacitného mosta. V tretej kapitole som tiež poukázal na Feynmanovo kontraverzné tvrdenia o elektrickom poli vo vnútri a v okolí vodivého telesa s dutinou (str. 115 – 116). Feynmanov omyl je v ďalšom jednoducho dokazaný.

        V piatej kapitole sa zavádza jednosmerný, stacionárny aj nestacionárny elektrický prúd. Formulované sú Kirchhoffove zákony, metody obvodových prúdov a uzlových potenciálov, Théveninova a Nortonova veta a riešené niektoré zaujímavé a dôležité úlohy, ako je odpor nekonečnej štvorcovej mriežky, diagonálny odpor odporovej kocky, odpor nekonečného odporového reťazca a i. Riešenie úlohy o odpore nekonečnej odporovej mriežky bolo v šesťdesiatych rokoch minulého storočia robené pomocou zložitých nekonečných radov a zrkadlení a publikované v American Journal of Physics. Riešenie sa však dá povedať z hlavy. V úlohe 137 podľa Feynmana celková ročná energia elektrických bleskov je prakticky rovnaká ako celková elektrická energia vyrobená v elektrárňach na celom svete. Sam nie som si istý, či je to možné? A ak áno, čo to znamená?

        V šiestej kapitole sa analyzuje magnetické pole elektrických prúdov. Je zavedený vektorový potenciál a vypočítaný všeobecný vektorový potenciál v okolí jednoduchej  kruhovej prúdovej slučky v ľubovoľnom bode priestoru. Úloha, ktorá na prvý pohľad vyzerá triviálne, v skutočnosti vedie na eliptické integrály. V závere šiestej kapitoly sú formulované a analyzované Lorentzové transformácie elektromagnetických polí.

        Závažnou je siedma kapitola, venovaná jednému zo základných zákonov elektromagnetizmu – zákonu elektromagnetickej indukcie. Vysvetlené sú pojmy "indukčnosť", "vzájomná indukčnosť". Analyzovaný je prechodový jav v RLC-obvod a pojem "kvality kmitavého obvodu" (pojem potrebný hlavne pre elektrotechnikov). Kapitola obsahuje množstvo dôležitých praktických úloh súvisiacich s elektromagnetickou indukciou..

        V ôsmej kapitole je analyzovaná interakcia magnetického poľa s látkou. Vektor magnetickej polarizácie J, spomenutý v kapitole je reliktom starej, CGS sústavy (pozri str. 366), teda do magnetizmu v SI-sústave nepatrí a preto ho v mojej učebnici nepoužívam. V kapitole sa postupne analyzuje diamagnetizmus, paramagnetizmus, ale hlavne feromagnetizmus. V podkapitole „Meranie magnetických polí“ sú opísané klasický a kvantový Hallov jav (Nobelova cena 1985) a meranie magnetických polí metódou jadrovej magnetickej rezonancie (JMR) (Nobelova cena 1952). Magnetická rezonancia sa dnes stala dôležitou diagnostickou metódou a nahradzuje škodlivé röntgenové vyšetrovania. Drahý a komplikovaný NMR-tomograf patri dnes do vybavenia takmer každej nemocnice a princípy na ktorých pracuje sú opísané v odseku 8.5.4. Dôležitá je podkapitola o supravodivosti (aj vysokoteplotnej). Je tu  tiež opísaný Josephsonov jav (Nobelova cena 1973).

         Deviata kapitola pojednáva o striedavých elektrických priebehoch (prúdoch, napätiach, atď.). Je zavedená komplexne symbolická metóda analýzy striedavých obvodov, tak ako ju používajú elektrotechnici. Zvláštna pozornosť je venovaná sériovým a paralelným rezonančným obvodom (pozri tiež úvahu 17), ktoré sú často nesprávne interpretované a analyzované. Kapitola obsahuje veľké množstvo riešených úloh s využitím symbolicko-komplexnej metódy.

         Desiata kapitola je venovaná pohybu častíc v elektromagnetických poliach. Vysvetlený je význam pojmu "tokamak". Opísaný je terestrialny magnetizmus aj vo veľkých vzdialenostiach od Zeme. Podrobne je opísaná konštrukcia a činnosť cyklotrónu a hmotnostného spektrografu.

         Posledná, jedenastá kapitola sa zaoberá podstatou a analýzou elektromagnetických vĺn. Odvodená je vlnová rovnica, analyzovaný je skin-efekt. Pre elektrotechnikov môže byť zvlášť dôležitá a užitočná podkapitola „Základy teórie dlhých vedení“, ktorá býva vo fyzikálnych učebniciach často ignorovaná. Dnes vedenie elektromagnetických signálov "káblami" (posledne už aj opickými) je dôležitejšie ako šírenie signálov bezdrôtovo. Samozrejme pri analýze sa používa symbolicko-komplexná metóda. Záver kapitoly je venovaný meraniu rýchlosti svetla, sú opísané niektoré metódy merania rýchlosti svetla a pripojená tabuľka o výsledkoch merania rýchlosti svetla v celej histórii merania. V závere kniha obsahuje  kompletné riešenie všetkých 326 úloh, čo oceňujú hlavne študenti.

         Do knihy je zahrnutý aj krátky prehľad vektorovej analýzy a tabuľky obsahujúce výrazy pre diferenciálne operácie nad skalárnymi a vektorovými poľami a Laplaceov operátor v rôznych súradnicových systémoch. Pomerne podrobne sú zavedené diferenciálne operátory grad, div a rot, pretože v matematickej literatúre som nenašiel žiaden opis, ktorý by sa mi páčil. Možno že sa niekomu bude zdať, že kapitoly 9 a 11 sú neúmerne dlhé. Robil som to s úmyslom pomôcť študentom elektrotechnických fakúlt pretože tieto kapitoly sú pre elektrotechnikov najdôležitelšie.     

         Učebnica svojim rozsahom nie je určená iba na použitie v jednom semestri, pretože obsiahnutý materiál, sa nedá v jednom semestri odprednášať. Prednášateľ môže vyzvať študentov aby niektoré časti študenti doštudovali individuálne. Knihu možno považovať za prerekvizitu k prednáške z teórie elektromagnetického poľa, prípadne pre študentov elektrotechniky ako úvod do teórie elektrických sieti a do teórie prenosových vedení.

      Elektromagnetizmus je fyzikálny odbor, s ktorým sa dnes stretáva každý občan, na  každom kroku a dvadsaťštyri hodín denne. Naša dnešná civilizácia stojí a padá na elektromagnetizme. Domnievam sa, že dnes by fyzik a nie len on, ale každy by mal mať naporúdzi doma nejakú učebnicu elektromagnetizmu. Z predajnosti knihy možno posúdiť aký záujem má vzdelaný občan, ale predovšetkým študent, na Slovensku o znalosti z elektromagnetizmu. Vzhľadom na to, že tu desať rokov nebola na trhu žiadna kniha o elektromagnetizme, som z terajšieho predaja učebnice veľmi rozčarovaný a sklamaný. Verím, že je to tým, že kniha ešte nebola na internete záujemcami objavená a nie každý si ju na internete objedná. Nie je však veľká nádej, že bude v predaji v "kamennom" obchode, pretože kniha sa do zásoby netlačí, iba na objednávky. Autor

 11.05.20011

  20.09.2011