SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

Samankaltaiset tiedostot
KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

KYSYMYS: Lai*akaa varaukset järjestykseen, posi9ivisesta nega9ivisempaan.

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

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

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

RC- PIIRIT: KONDENSAATTORIN PURKAMINEN

SOVELLUS: SYKLOTRNI- KIIHDYTIN

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

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

&()'#*#+)##'% +'##$,),#%'

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

a P en.pdf KOKEET;

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

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

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

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Sähköstatiikka ja magnetismi

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

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

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

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

FY6 - Soveltavat tehtävät

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

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

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

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

Coulombin laki ja sähkökenttä

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

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

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

DEE Sähkötekniikan perusteet

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Elektrodynamiikka, kevät 2008

Magneettikenttä ja sähkökenttä

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Potentiaali ja potentiaalienergia

Varatun hiukkasen liike

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Korkeammat derivaatat

Varatun hiukkasen liike

Korkeammat derivaatat

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

Kaikkiin tehtäviin ratkaisujen välivaiheet näkyviin! Lue tehtävänannot huolellisesti. Tee pisteytysruudukko B-osion konseptin yläreunaan!

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

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

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

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

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

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

4. Gaussin laki. (15.4)

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Esimerkki: 2- atominen molekyyli. Korkeammat derivaatat 1/24/13. Jo kerran derivoitu funk6o voidaan derivoida uudelleen. Yleisemmin merkitään:

a) Kuinka pitkän matkan punnus putoaa, ennen kuin sen liikkeen suunta kääntyy ylöspäin?

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Osa 5. lukujonot ja sarjat.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

Transkriptio:

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO LiikeJla vaiku5aa siihen, miten kentät syntyvät ja miten hiukkaset kokevat kenben väli5ämät vuorovaikutukset ja miltä kentät näy5ävät. Vara5u hiukkanen kokee sähkömagneebsen kentän väli5ämän sähköisen vuorovaikutuksen hiukkaseen riippuma5a hiukkasen nopeudesta, se on siis F E =qe Varaus synny5ää sähkökentän liikejlasta riippuma5a, eli se saadaan siis Coulombin laista protoni 1 r protoni 2 + v ˆr + v E 1 F 21 =qe 1 F E (r) = k q 1 q 2 r 2 ˆr

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO Liikkuva vara5u hiukkanen kokee magneebsen vuorovaikutuksen, joka riippuu hiukkasen nopeudesta, se oli F B =qv B Liikkuva varaus synny5ää magneebkentän, joka riippuu hiukkasen nopeudesta. Se saajin siis BioJn ja SavarJn laista B = µ 0 qv ˆr 4π r 2 Kuvan tapauksessa magneebnen ja sähköinen voima ovat vastakkaissuuntaiset. Mu5a mikä on näiden voimien itseisarvojen suhde? µ ev FB v v = = = FE 1 e ( εµ 0 0) c 2 4πε r 2 2 0 2 2 2 4 π r, 2 1 2 0 protoni 1 r protoni 2 x + v ˆr F 21 =qv 2 B 1 + v E 1 F 21 =qe 1 protonin 1 magneebken5ä protonin 2 kohdalla

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO KoordinaJstossa, jossa protonit ovat paikoillaan, syntyy sähköken5ä. Niiden välillä vaiku5aa sähköinen voima. protoni 1 + r ˆr v=0 Tasaisella nopeudella ohi liikkuvasta koordinaajstosta katso5una protonit näy5ävät liikkuvan yhdessä vastakkaiseen suuntaan. Sieltä katso5una niiden välillä vaiku5aa sekä sähköinen e5ä magneebnen voima! protoni 2 + Protonit levossa tässä koordinaajstossa E 1 F 21 =qe 1 v Kumpi on oikein? Onko magneebsta voimaa vai ei? Vastaus riippuu siitä mistä koordinaajstosta katsotaan. On sähkömagneebnen ken5ä, joka näy5ää erilaiselta liikejlan mukaan. Protoneita katsotaan tästä liikkuvasta koordinaajstosta

TENTTI Tiistaina 7.3 klo 13.15 17 Koeaika on neljä tunja Kokeeseen saa o5aa mukaan - yhden maksimissaan käsinkirjoitetun A4- kokoisen lunblapun (molemmat puolet saa täy5ää) - laskimen jossa ei ole verkkoyhtey5ä Kokeessa jaetaan lisäksi kaavakokoelma (ilmestyy myös keskiviikkona kurssin webbisivuille, voi tulla vielä lisäyksiä) Tee jokainen tehtävä omalle paperille!! Jokaiseen paperiarkkiin merkitse nimesi, opiskelijanumerosi, kurssin nimi ja päivämäärä Palauta myös lunblappu tenbpaperin mukana

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA varausjakauman sähköken5ä, Coulombin laki virtajakauman ken5ä, Biot n ja SavarJn laki erilaisten (piste- ja jatkuvien) varaus- ja virtajakautumien potenjaalienergia, potenjaali, työn käsite, konservajivinen voima, tasapotenjaalipinnat Sähköinen ja magneebnen dipoli (mm. määritelmä, merkitys, vääntömomenb, potenjaalienergia, kenben laskeminen) Sähköken5ä ja aine, polarisoituminen (ymmärtää yleisellä tasolla) Kondensaa5ori (mm. varaaminen ja potenjaalienergia, miten jännite levyjen välissä muu5uu kun siellä esim. johde tai eristelevy). Miten lasket kentän levyjen välissä. Mikä on hajaken5ä ja miten lasket sen?)

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA varausjakauman sähköken5ä, Coulombin laki virtajakauman ken5ä, Biot n ja SavarJn laki erilaisten (piste- ja jatkuvien) varaus- ja virtajakautumien potenjaalienergia, potenjaali, työn käsite, konservajivinen voima, tasapotenjaalipinnat Sähköinen ja magneebnen dipoli (mm. määritelmä, merkitys, vääntömomenb, potenjaalienergia, kenben laskeminen) Sähköken5ä ja aine, polarisoituminen (ymmärtää yleisellä tasolla) Kondensaa5ori (mm. varaaminen ja potenjaalienergia, miten jännite levyjen välissä muu5uu kun siellä esim. johde tai eristelevy). Miten lasket kentän levyjen välissä. Mikä on hajaken5ä ja miten lasket sen?)

KYSYMYS: Elektroni laitetaan pisteeseen P sähköken5ään E. Elektroniin vaiku5ava voima osoi5aa F=qE=-eE - P Jos protoni niin voima vaiku5aisi oikealle A. Oikealle B. Vasemmalle C. Nolla D. Ei ole tarpeeksi tietoa määrittää etätä

KYSYMYS: Pisteessä P sähköken5ä 1) Nolla 2) Osoi)aa vasemmalle 3) Osoi5aa ylös 4) Osoi5aa oikealle 5) Muu vastaus 6) En osaa sanoa Symmetria

KONDENSAATTORI Laskareissa ja luennolla laskebin ympyrä- levyn ken5ä. Tulokseksi lähellä levyä saajin E σ 2ε 0 # 1 z & % ( $ R' Tästä voidaan nyt helposj laskea ken5ä keskellä: E σ # 1 s / 2 & % ( σ ε 0 $ R ' ε 0 = Q / A ε 0 E + E - pieni hajaken5ä E h = Q / A 2ε 0 s R 0 levyt lähellä toisiaan, s pieni + + + + + + + + + s E + E - - - - - - - - - - s E tot z eli levyjen välissä ken5ävoimakkuus on 2 yhden levyn ken5ä

VIRTASILMUKAN MAGNEETTIKENTTÄ Kurssilla tarkasteljin periaate5a miten saadaan Biot n ja SavarJn lakia käy5äen johde5ua magneebken5ä ympyrän muotoisen virtasilmukan (sähkövirta I, säde R), keskeltä kulkevalla akselilla (valitaan vaikkapa z- akseli) Tulokseksi saajin B = µ 0 2 IR 2 (z 2 + R 2 ) 3/2 Tämä on eri5äin tärkeä tulos, jota käytebin mm. määri5elemään magneebsta dipolia, ja jota tarvitaan jos halutaan laskea ken5ä solenoidin keskellä tai Helmholtzin kelojen keskellä I z

SOLENOIDI TiukasJ kierre5yä johdinta, kun siihen syötetään sähkövirtaa niin se synny5ää magneebkentän Saadaan aikaan voimakas magneebken5ä (jos laitetaan sisään vielä sisään ferromagneebsta aine5a niin ken5ä moninkertaistuu) Käy5äytyy periaa5eessa kuin pysyvä magneeb, mu5a minkä pohjois- ja etelänavan suunta voidaan kääntää (eli käännä solenoidissa kulkevan virran suunta) ja mikä voidaan helposj lai5aa pois päältä (sulje virta à ei magneebken5ää) jos solenoidin säde R on paljon pienempi kuin sen pituus l (R << l) saadaan kentäksi solenoidin keskellä: B=(µ 0 NI)/l

SOLENOIDI Voi muu5aa sähkövirtaa mekaaniseksi energiaksi (voima lähelle asete5uun magneebin) Ken5ä solenoidin reunan ulkopuolella B = µ 0 NI 2 " % $ D + L D 2 ' ( D + L) 2 + R 2 ) 1/2 (D 2 + R 2 ) 1/2 # $ &' à (D=0) B = µ 0 NI 2 Voima miten solenoidi vaiku5aa viereen asenne5uun magneebin on monimutkainen lasku, mu5a voimaa voidaan arvioida energia periaa5eella l 2 (l 2 + R 2 ) 1/2 à (l >> R) B µ 0 NI 2 P D

HELMHOLTZIN KELAT: TASAINEN MAGNEETTIKENTTÄ d=? R z Kurssin demoissa on käyte5y paljon Helmholtzin keloja, joissa siis kaksi solenoidia on laite5u vastakkain, jo5a saajin aikaan tasainen magneebken5ä. Mikä kelojen välisen etäisyyden d tulee olla jo5a ken5ä olisi mahdollisimman tasainen niiden välissä? BioJn ja SavarJn lakia käy5äen magneebken5ä on siis virtasilmukan keskeltä kulkevalla akselilla (tässä z- akseli) B = µ 0 2 IR 2 (z 2 + R 2 ) 3/2 Tarkastellaan nyt kahta virtasilmukkaa jotka ovat etäisyydellä d toisistaan ja valitaan e5ä z on nolla silmukoiden keskellä

HELMHOLTZIN KELAT: TASAINEN MAGNEETTIKENTTÄ Lasketaan ensin derivaa5a z:n suhteen B/ z. Havaitaan, e5ä tämä on nolla kun z=0 eli kun ollaan silmukoiden keskellä. Lasketaan si5en toinen derivaa5a z:n suhteen 2 B/ z 2. Tämä derivaa5a on nolla kun z=r. à Eli mahdollisimman tasainen ken5ä saadaan kun kelat ovat kelojen säteen etäisyydellä toisistaan

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA varausjakauman sähköken5ä, Coulombin laki virtajakauman ken5ä, Biot n ja SavarJn laki erilaisten (piste- ja jatkuvien) varaus- ja virtajakautumien potenjaalienergia, potenjaali, työn käsite, konservajivinen voima, tasapotenjaalipinnat Sähköinen ja magneebnen dipoli (mm. määritelmä, merkitys, vääntömomenb, potenjaalienergia, kenben laskeminen) Sähköken5ä ja aine, polarisoituminen (ymmärtää yleisellä tasolla) Kondensaa5ori (mm. varaaminen ja potenjaalienergia, miten jännite levyjen välissä muu5uu kun siellä esim. johde tai eristelevy). Miten lasket kentän levyjen välissä. Mikä on hajaken5ä ja miten lasket sen?)

KYSYMYS Kaksi suurta johdelevyä varataan tasaisesj varauksilla +Q ja Q. Levyjen välimatka on hyvin pieni verra5una levyjen läpimi5aan. Sähkökentän potenjaali paikan funkjona on 1) 2) 3) 4) 5) EOS

KYSYMYS Kaksi suurta johdelevyä varataan tasaisesj varauksilla +Q ja Q. Levyjen välimatka on hyvin pieni verra5una levyjen läpimi5aan. Sähkökentän potenjaali paikan funkjona on 1) 2) 3) 4) 5) EOS Sähköken5ä osoi5aa korkeammasta potenjaalista pienempään V = Ed

ESIMERKKI 1 Sähköinen potenjaali Jetyssä avaruuden alueessa on muotoa V(x,y,z)=A(x 2-3y 2 +z 2 ) a) Mikä on sähköken5ä missä hyvänsä pisteessä tässä alueessa? b) Ken5ä tekee työn W kun hiukkanen, jonka varaus on q siirtyy pisteestä (0, 0, z 0 ) origoon. Mikä on vakio A? c) Osoita, e5ä xz tason suuntaisilla tasoleikkauksilla kentän tasapotenjaalipinnat ovat ympyröitä.

ESIMERKKI 2 Pistemäisen varatun hiukkasen sähkökentän voimakkuus kasvaa raja5a hiukkasta lähestyessä. Entä jos hiukkanen on äärellisen kokoinen? Tarkastele protonia, jonka varaus tunnetusj on +e. Oletetaan, e5ä protonin varaus on jakautunut tasaisesj R- säteiseen palloon. Määritä sähkökentän potenjaali ja sähkökentän voimakkuus kaikkialla, protonin sisällä ja ulkopuolella. R P s r ds

ESIMERKKI: VARATUN PALLOKUOREN POTENTIAALI

KYSYMYS Pallonmuotoinen kondensaa5ori muodostuu kahdesta vastakkaismerkkisesj varautuneesta ohuesta pallokuoresta. Sähkökentän voimakkuu5a vastaa parhaiten kuvaaja