ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Samankaltaiset tiedostot
ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Potentiaali ja potentiaalienergia

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

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

Elektrodynamiikka, kevät 2008

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

= ( F dx F dy F dz).

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

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

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 2 / Coulombin laki ja sähkökentänvoimakkuus

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

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Gaussin lause eli divergenssilause 1

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

Sähköstaattinen energia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

4. Gaussin laki. (15.4)

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Magneettikenttä väliaineessa

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Sähköstaattinen energia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

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

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

Sähköstatiikasta muuta. - q. SISÄLTÖ Sähköinen dipoli Kondensaattori Sähköstaattisia laskentamenetelmiä

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

SATE.1060 STAATTINEN KENTTÄTEORIA

Coulombin laki ja sähkökenttä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Elektrodynamiikka, kevät 2002

Magneettikenttä ja sähkökenttä

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

5 Kentät ja energia (fields and energy)

Sähköstaattinen energia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

1 Voima ja energia sähköstatiikassa

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Luennoitsija: Jukka Maalampi Luennot: , ma 9-10 ja ke Luentoja ei ole viikoilla 15 (pääsiäisviikko).

Luku Sähköinen polarisoituma

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, ohjeita tenttiin ja muutamia teoriavinkkejä sekä pari esimerkkilaskua

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Luku 5. Johteet. 5.1 Johteiden vaikutus sähkökenttään E = 0 E = 0 E = 0

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Numeerinen integrointi

edition). Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti.

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Luku 14. z L/2 y L/2. J(r,t)=I(t)δ(x)δ(y)θ(L/2 z)θ(z + L/2) e z (14.1) Kuva 14.1: Yksinkertainen dipoliantenni.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Vektorilaskenta, tentti

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

(ks. kuva) ja sen jälkeen x:n ja y:n suhteen yli xy-tasossa olevan alueen projektion G:

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Esim. Liikkuvan kappaleen radiusvektori. on ajan funktio, missä komponentit x, y ja z riippuvat yhdestä muuttujasta, ajasta t.

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

22. SÄHKÖSTATIIKKA Sähkövaraus, Q, q

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

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka V + E = IR (8.1)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Transkriptio:

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015) Henrik Wallén Luentoviiko 4 / versio 30. syyskuuta 2015

Sähköstatiikka (Ulaby, luku 4.1 4.5) Maxwellin yhtälöt statiikassa Coulombin voimalaki Gaussin laki Potentiaali Laplacen yhtälö 2 (19)

Maxwellin yhtälöt statiikassa Statiikassa lähteet ja kentät eivät riipu ajasta, jolloin sähkömagneettinen kytkentä häviää: Maxwellin yhtälöt E = B t H = J + D t D = ρ v B = 0 Sähköstatiikka E = 0 D = ρ v D =εe Magnetostatiikka H = J B = 0 B =µh 3 (19)

Coulombin voimalaki ja sähkökenttä Coulombin voimalain avulla voidaan, kuten Sähkö ja magnetismi -kurssilla, määritellä pistevarauksen sähkökenttä: q F = q E q E = R q 4πε 0 R 2 Sähkökenttä on siis yksikkötestivarauksen kokema sähköinen voima. Kenttäteoriassa lähdemme kuitenkin mieluummin liikkeelle Maxwellin yhtälöistä... 4 (19)

Gaussin laki Integroimalla Gaussin lakia ds = n ds D = ρ v tilavuuden V yli D dv = ρ v dv V V V S saadaan Gaussin lauseen avulla integraalimuotoinen Gaussin laki S D ds = Q Sähkövuo suljetun pinnan läpi on pinnan sisällä oleva kokonaisvaraus. Voidaanko määrittää D valitsemalla sopiva Gaussin pinta S? 5 (19)

Sähköstaattiset perusratkaisut (3D, 2D ja 1D) Symmetria ja Gaussin laki D E = D/ε Pistevaraus q origossa E = R q 4πεR 2 pallokoordinaatistossa Viivavaraus ρ l z-akselilla E = r ρ l 2πεr sylinterikoordinaatistossa Tasovaraus ρ s tasolla z = 0 E = ±ẑ ρ s 2ε suunta poispäin tasosta E 1 etäisyys (dimensio 1) 6 (19)

Origonsiirto ja varausjakauman kenttä Origonsiirto q 1 E = R R 1 q 1 R R 1 }{{} 4πε R R 1 2 yksikkövektori R 1 R origo Merkitsemällä R R 1 = R = R R saadaan E = R q 1 4πε R 2 Varausjakauma ρ v jaetaan osiin dq ja integroidaan E = V R ρ v dv 4πε R 2 Integraali on varausjakauman yli ja vektori R on lähdepisteestä kenttäpisteeseen. (Muualla R voi tarkoittaa jotain aivan muuta. Ole tarkkana notaation kanssa... )

Äärellisen viivavarauksen kenttä 1 +L/2 ρ l dz L/2 E = z ρ l L/2 R L/2 E =? r R ρ l dz 4πε R 2 = ρ l 4πε L/2 L/2 Muuttujanvaihdos z z = l antaa Kenttäpiste (r, z) Lähdepiste (0, z ) R = r r + (z z ) ẑ (Ratkaisu on pyörähdyssymmetrinen.) r r + (z z ) ẑ ( r 2 + (z z ) 2) 3/2 dz E = ρ l 4πε z+l/2 z L/2 r r + l ẑ ( r 2 + l 2) 3/2 dl 8 (19)

Äärellisen viivavarauksen kenttä 2 Integroimiskaavoilla dx ( x 2 + a 2) 3/2 = x a 2 x 2 + a 2, x dx ( x 2 + a 2) 3/2 = 1 x 2 + a 2 saadaan ρ l z+l/2 r r + l ẑ ( r 2 + l 2) 3/2 dl E = 4πε z L/2 = ρ [( ) l z + L/2 4πε r r 2 + (z + L/2) z L/2 2 r r r 2 + (z L/2) ( 2 ) 1 + r 2 + (z L/2) 1 ẑ 2 r 2 + (z + L/2) 2 ] (Suoraviivaista mutta hieman työlästä integrointia.) 9 (19)

Äärellisen viivavarauksen kenttä 3 10 (19)

Potentiaali Sähköstaattinen skalaaripotentiaali, eli lyhyemmin potentiaali V, voidaan määritellä kahdella tavalla: Potentiaali V on sähkökentän potentiaalienergia yksikkövarausta kohti. Koska staattinen sähkökenttä on konservatiivinen eli pyörteetön, E = 0, se voidaan esittää skalaarifunktion gradienttina: E = V Miinusmerkki ei ole mielivaltainen valinta. Se tarvitaan, jotta määritelmät olisivat yhtäpitäviä. 11 (19)

Potentiaali ja työ q V 1 dl E C V 2 Siiretään pistevaraus q pisteestä 1 pisteeseen 2 käyrää C pitkin. Sähköinen voima on F e = qe, joten tasapainotilanteessa tarvitaan ulkoinen voima F ext = F e. Ulkoisen voiman tekemä työ on tällöin W = F ext dl = q E dl = q ( V ) dl = q (V 2 V 1 ). C C Potentiaalin muutos on työ/varaus, eli potentiaalienergian muutos/varaus. Samalla saatiin jännitteelle lauseke V 21 = V 2 V 1 = E dl C C 12 (19)

Kirchhoffin jännitelaki Staattinen sähkökenttä on pyörteetön: E = 0 (Faradayn laki) Integroidaan mielivaltaisen avoimen pinnan yli, ja käytetään Stokesin lausetta: S ( E) ds = C E dl = 0 Kirchhoffin jännitelain mukaan suljetun silmukan jännite on nolla. Tämähän on sama asia, mutta staattiselle sähkökentälle kirjoitettuna. Toisaalta on konservatiivisen vektorikentän määritelmä. 13 (19)

Nollapotentiaali ja pistevarauksen potentiaali Potentiaaliin V voidaan lisätä mielivaltainen vakio V 0 muuttamatta sähkökenttää: E = (V + V 0 ) = V. Jos mahdollista, valitaan yleensä V 0 siten, että äärettömyyteen tulee nollapotentiaali. Origossa olevalle pistevaraukselle saadaan tällöin pisteessä P = (R, θ, φ) potentiaali P R ( V = E dl = R q ) 4πεR 2 R dr = q 4πεR 14 (19)

Yleisen varausjakauman potentiaali Varausjakauman potentiaali saadaan integroimalla tilavuuden (tai käyrän tai pinnan) yli: V = V ρ v dv 4πεR missä R on etäisyys tarkastelu- ja integroimispisteen välillä. Tämä on useimmiten paljon helpompi integraali kuin sähkökentän vastaava, joten usein lasketaan ensin V ja sitten E = V (jos tarpeen). 15 (19)

Dipolin potentiaali z R 1 Pistevarausten ±q potentiaali: V = 1 ( q q ) = q ( ) R2 R 1 4πε R 1 R 2 4πε R 1 R 2 +q p = ẑ qd q θ R 2 R d cos θ Jos R d, saadaan V q ( ) d cos θ 4πε R 2 Dipolimomentin p avulla lausuttuna pistemäisen dipolin potentiaali on: V = p R 4πεR 2 16 (19)

Dipolin sähkökenttä E = V = qd ( ) cos θ 4πε R 2 = qd 4πεR 3 ( R 2 cos θ + θ sin θ ) Huom: Pistemäinen dipoli (d 0, kun p = qd = vakio) tai R d. 17 (19)

Poissonin ja Laplacen yhtälöt Gaussin lain, väliaineyhtälön ja potentiaalin avulla saadaan D = (εe) = (ε V ) = ρ v. Jos väliaine on homogeeninen (eli ε ei riipu paikasta), saadaan Poissonin yhtälö 2 V = ρ v ε, joka lähteettömässä alueessa (ρ v = 0) muuttuu Laplacen yhtälöksi: 2 V = 0 18 (19)

Laplacen yhtälön ratkaisu Jos funktio toteuttaa Laplacen yhtälön tietyssä alueessa, se ei voi saada maksimeja tai minimeja tässä alueessa. Esim: V = x 2 y 2 2 V = 2 V x 2 + 2 V y 2 = 2 2 = 0 19 (19)