SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Samankaltaiset tiedostot
VAASAN YLIOPISTO SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA: KAPPALE 1: JOHDANTO KAPPALE 2: AJAN MUKAAN MUUTTUVAT KENTÄT JA MAXWELLIN YHTÄLÖT

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

Sähkömagneettinen induktio

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Magneettikenttä ja sähkökenttä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Sähköstatiikka ja magnetismi

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Sähkömagneettinen induktio

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Sähkömagneettinen induktio

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA PERUSTEHTÄVIÄ RATKAISUINEEN

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

Elektrodynamiikka, kevät 2008

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Magneettikenttä. Magneettikenttä on magneettisen vuorovaikutuksen vaikutusalue. Kenttäviivat: Kenttäviivojen tiheys kuvaa magneettikentän voimakkuutta

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Magneettinen induktio

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

SATE2180 Kenttäteorian perusteet syksy / 5 Laskuharjoitus 5 / Laplacen yhtälö ja Ampèren laki

Sähkömagnetismi. s. 24. t syyskuuta :01. FY7 Sivu 1

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

DEE Sähkötekniikan perusteet

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

d+tv 1 S l x 2 x 1 x 3 MEI Mallintamisen perusteet Harjoitus 6, kevät 2015 Tuomas Kovanen

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 6 Laskuharjoitus 13: Rajapintaehdot ja siirrosvirta

EMC. Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina ylimääräisessä tapaamisessa.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

Luento 3: Käyräviivainen liike

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Luku Ohmin laki

a P en.pdf KOKEET;

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

RATKAISUT: 21. Induktio

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Juuri 4 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. b) B = (3, 0, 5) K2. ( )

Teoriaa tähän jaksoon on talvikurssin luentomonisteessa luvussa 10. Siihen on linkki sivulta

Magneettinen energia

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

DEE Sähkötekniikan perusteet

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

SOVELLUS: SYKLOTRNI- KIIHDYTIN

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Luento 3: Käyräviivainen liike

TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Transkriptio:

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Faradayn laki E B t Muuttuva magneettivuon tiheys B aiheuttaa ympärilleen sähkökentän E pyörteen. Sähkökentän voimakkuutta E ei voi esittää skalaaripotentiaalin V gradienttina alueessa, jossa on muuttuva magneettivuon tiheys B. Soveltamalla Stokesin integraalilausetta yhtälö saadaan muotoon: B E dl E ds ds t C S S 2

Ajan mukaan muuttuvassa magneettikentässä oleva liikkumaton piiri Jos piiri pysyy paikallaan alueessa S, yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon: C d E dl d dt B S S Määritellään ääriviivalla C olevaan piiriin indusoitunut sähkömotorinen voima U smv : Usmv E d l C Ja alueen S läpi kulkeva magneettivuo F : U smv df dt F B d S S 3

Lenzin laki Suljettuun piiriin indusoituu sähkömotorinen voima U smv, joka aiheuttaa silmukan läpi kulkevan magneettivuon F muutokselle vastakkaisen magneettivuon F smv. 4

Staattisessa magneettikentässä liikkuva johdin Kun johdin liikkuu nopeudella v staattisessa (ajan mukaan muuttumattomassa) magneettikentässä B, niin voima F qv B m aiheuttaa sen, että johtimessa vapaasti liikkuvat elektronit siirtyvät johtimen toiseen päähän, jättäen johtimen toisen pään positiiviseksi varautuneeksi. Varausten erkautuminen jatkuu, kunnes sähköiset ja magneettiset voimat tasapainottavat toisensa. 5

Liikkuva johdin staattisessa magneettikentässä 6

Liikkeestä johtuva sähkömotorinen voima Jos liikkuva johdin on osa suljettua piiriä C, piiriin muodostuu sähkömotorinen voima jota kutsutaan vuon leikkaavaksi tai liikkeestä johtuvaksi C Usmv v B d l sähkömotoriseksi voimaksi 7

Liikkuva johdin ajan mukaan muuttuvassa magneettikentässä (1 / 2) Kun varaus q johdin liikkuu nopeudella v alueessa, jossa on olemassa sekä sähkökenttä E että magneettikenttä B, varaukseen q vaikuttaa Lorenzin yhtälön mukaisesti voima F q E v B Jos ajatellaan havainnoitsijan liikkuvan samalla nopeudella samaan suuntaan varauksen q kanssa, ei ole olemassa näennäistä liikettä ja varaukseen q vaikuttava voima voidaan tulkita aiheutuvan sähkökentästä E. E ' E v B tai E E ' v B 8

Liikkuva johdin ajan mukaan muuttuvassa magneettikentässä (2 / 2) Jos johtava piiri C ja pinta-ala S liikkuvat nopeudella v kentässä (E, B) piiriin muodostuva kokonaissähkömotorinen voima: U smvkok B E ' dl d d C S S t v B l C 9

Suorakaiteen muotoinen johdinsilmukka ajan mukaan muuttuvassa magneettikentässä Suorakaiteen muotoinen (korkeus h, leveys w) johdinsilmukka on sijoitettu muuttuvaan magneettikenttään Silmukan muodostamalle tasolle kohtisuora normaali e n muodostaa kulman a y-akselin suuntaisen yksikkövektorin e y kanssa. Määritä silmukkaan indusoitunut sähkömotorinen voima, kun a) silmukka on levossa b) silmukka pyörii x-akselin ympäri kulmanopeudella w 10

Silmukka levossa Kun silmukka on levossa, silmukan läpi kulkeva magneettivuo F voidaan ratkaista yhtälöllä F B ds B sinwt e dxdye B hw sinwt cosa S wh 00 0 y n 0 Tällöin silmukkaan indusoituva sähkömotorinen voima on df Uasmv B0Sw coswt cosa dt Missä S = hw on silmukan pinta-ala Esimerkkitilanteessa silmukan päässä 1 on matalampi potentiaali kuin silmukan päässä 4, eli jos silmukka on kytketty ulkoiseen kuormaan, virta tule kiertämään silmukassa vastapäivään. 11

Silmukka pyörii x-akselin ympäri Kun silmukka pyörii x-akselin ympäri, silmukkaan muodostuva pyörimisliikkeen aiheuttama sähkömotorisen voiman muutos ratkaistaan yhtälöllä U bsmv 2 3 4 C v B dl 1 w wen B0sinwt y dx x 2 e e w wen 0 2 e e w B t h 2 2 w 0 sinw sina B sinwt y dx x 12

Silmukka pyörii x-akselin ympäri Silmukan sivuihin 2 -> 3 ja 4 - > 1 ei indusoidu sähkömotorista voimaa, koska sivuilla ei ole e x suuntaista komponenttia. Jos kulma a = 0 ajanhetkellä t = 0, niin a = wt ja Ubsmv B0Sw sinwt sinwt Silmukkaan muodostuva kokonaissähkömotorinen voima koostuu muuttuvan magneettikentän ja silmukan liikkeen yhteisvaikutuksesta U U U smv asmv bsmv 2 2 B0Sw cos wt sin wt B Swcos2wt 0 13

Ratkaisutapa 2 Silmukkaan muodostuva kokonaissähkömotorinen voima voidaan määrittää myös suoraan määrittämällä ensin silmukan läpi kunakin ajanhetkenä kulkeva kokonaisvuo F t Bt Sent B0S sinwt cosa Ja sen jälkeen määrittämällä sähkömotorinen voima U smv df dt d 1 dt 2 B Swcos2wt B0S sin2wt 0 14

18.10.2018 Vaasan yliopisto Sähkötekniikka SATE2180 Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio 15