Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Samankaltaiset tiedostot
Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

SIS. Vinkkejä Ampèren lain käyttöön laskettaessa magneettikenttiä:

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA PERUSTEHTÄVIÄ RATKAISUINEEN

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

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

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

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

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

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

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

ELEKTROMAGNEETTISET VOIMAT SAMANSUUNTAISISSA VIRTA- JOHDOISSA

a P en.pdf KOKEET;

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

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

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

Tekijä Pitkä matematiikka

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

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

Vinkkejä Gaussin lain käyttöön laskettaessa sähkökenttiä

Sähkökentät ja niiden laskeminen I


ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

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

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

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

Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun F = F eli qv B = qe. Nyt levyn reunojen välinen jännite

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

SOLENOIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Työ 4547B S4h. SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT

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

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

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Sähköstatiikka ja magnetismi

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

766319A Sähkömagnetismi, 7 op Kertaustehtäviä, 1. välikokeen alue Vastaukset tehtävien jälkeen

4. Gaussin laki. (15.4)

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

x 5 15 x 25 10x 40 11x x y 36 y sijoitus jompaankumpaan yhtälöön : b)

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

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

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

. P A Sähkömagnetismi, 7 op Vanhoja tenttitehtäviä

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

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

Ympyrän yhtälö

KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Magnetoituvat materiaalit

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

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

Magneettikenttä väliaineessa

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

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

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

Tekijä Pitkä matematiikka Poistetaan yhtälöparista muuttuja s ja ratkaistaan muuttuja r.

VEKTORIT paikkavektori OA

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

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.

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

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

Vektorit, suorat ja tasot

Ota tämä paperi mukaan, merkkaa siihen omat vastauksesi ja tarkista oikeat vastaukset klo 11:30 jälkeen osoitteesta

Suorista ja tasoista LaMa 1 syksyllä 2009

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Luku Ohmin laki

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

34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Transkriptio:

Jakso 8. Ampèren laki Esimerkki 8.: Johda pitkän suoran virtajohtimen (virta ) aiheuttaman magneettikentän lauseke johtimen ulkopuolella etäisyydellä r johtimesta. Ratkaisu: Käytetään Ampèren lakia C 0 sis = magneettivuon tiheys Ampèren silmukan kohdalla d l = pituusalkiovektori Ampèren silmukassa SS = suljetun silmukan läpi kulkevat virrat C = Ampèren silmukan pituus -kentän kenttäviivojen piirtäminen Alla olevassa kuvassa on pitkän suoran virtajohtimen aiheuttamia - kenttäviivoja. -kentän suunta on määritetty oikean käden nyrkkisäännön avulla: Kun puristetaan johdinta oikealla kädellä ja peukalo osoittaa virran suuntaan, muut sormet osoittavat magneettikentän suuntaan.

Sivusta katsottuna -kenttäviivat näyttävät tältä: Χ Ampéren silmukan valinta ja piirtäminen kuvaan. Pitkille suorille johtimille valitaan suljetuksi Ampéren silmukaksi ympyrä. Alla olevassa kuvassa on edellä esitettyyn kuvaan lisätty Ampéren silmukka, jonka on r-säteinen ympyrä. r

Pituusalkiovektoreiden piirtäminen an. Pituusalkiovektorit ovat (Ampèren) silmukan suuntaisia. Alla olevassa kuvassa on edellinen kuva, johon on lisätty pituusalkiovektori. r Huomataan, että pituusalkiovektorit ovat Ampèren silmukan joka kohdassa samansuuntaisia -kenttävektoreiden kanssa. Ampèren lain vasemman puolen laskeminen. Ampèren lain vasen puoli lasketaan seuraavasti: C C C 2r Ampèren silmukan kohdalla -kenttä ja ovat yhdensuuntaisia. Ampèren silmukan kohdalla on vakio. Tuo integraali tarkoittaa pelkkää Ampèren silmukan pituutta. Ampèren lain oikean puolen laskeminen. Ampèren lain oikealla puolella oleva SS tarkoittaa Ampèren silmukan läpi kulkevia virtoja eli tässä tapauksessa pitkän suoran johtimen virtaa. Oikea puoli saadaan muotoon µ 0 Yhdistetään Ampèren lain vasen ja oikea puoli ja ratkaistaan yhtälöstä -kenttä. 0 2r 0 2r

Esimerkki 8.2: Johda pitkän suoran solenoidin sisällä vaikuttavan magneettikentän lauseke. Solenoidin pituus on L ja siinä kulkee virta. Ratkaisu: Käytetään Ampèren lakia: 0 Piirretään magneettikentän kenttäviivoja pitkän suoran solenoidin sisälle sis Valitaan Pitkälle suoralle solenoidille valitaan Ampèren silmukaksi suorakaide, jonka sivut ovat esimerkiksi a ja b. Lisätään suorakaide edellä esitettyyn kuvaan. a b

Piirretään an pituusalkiovektoreita a Lasketaan Ampéren lain vasen puoli Paloitellaan integraali na toimivan suorakulmion eri sivuille. Huomaa kuvasta, että sivut on numeroitu. 4 a 3 2

Sivu : 2 3 4 0 0 0 koska ja ovat yhdensuuntaisia vektoreita. Sivu 2: 0 koska ja ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. 2 Sivu 3: 0 koska magneettikenttä on nolla solenoidin ulkopuolella. 3 Oletimme, että solenoidi on hyvin pitkä, joten magneettikentän kenttäviivat kaartavat hyvin kaukaa takaisin solenoidin toisesta päästä sisään. Sivu 4: 0 koska ja ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. 4 Voimme nyt unohtaa sivut 2, 3, ja 4 ja keskittyä sivuun. a voitiin ottaa integraalimerkin eteen, koska se on vakio pitkän solenoidin sisällä. ntegraali kuvaa sivun pituutta. Ampèren lain vasen puoli on nyt laskettu. Lasketaan Ampèren lain oikea puoli Yhtälön oikealla puolella µ0 on tyhjiön permeabiliteetti ja SS Ampèren silmukan sisään jäävät virrat. Jos solenoidissa kulkee virta, silmukan sisään jää virrat n missä n on Ampèren silmukan sisään jäävien johdinkierrosten lukumäärä. Jos koko solenoidissa on N johdinkierrosta ja solenoidin pituus on L, a :n pituisessa solenoidin pätkässä on n = a N johdinkierrosta. L Ampèren lain oikea puoli on siis µ 0 SS = µ 0 a L N Yhdistetään oikea puoli ja vasen puoli ja ratkaistaan a a = µ 0 L N = µ 0N L

Esimerkki 8.3: Johda toroidin sisällä vaikuttavan magneettikentän lauseke. Toroidin säde on R ja siinä kulkee virta. Toroidissa in N johdinkierrosta. Ratkaisu: Käytetään Ampèren lakia: 0 Piirretään kuva toroidista ja sen sisälle magneettikentän kenttäviivoja Toroidin sisällä magneettikentän kenttäviivat ovat toroidin suuntaisia ympyröitä. Toroidin ulkopuolelle magneettikenttä ei pääse. sis Valitaan ja lisätään se edellä esitettyyn kuvaan Valitaan toroidin tapauksessa Ampèren silmukaksi ympyrä, jonka säde on R eli toroidin säde. R

Piirretään an pituusalkiovektoreita R Lasketaan Ampéren lain vasen puoli = = = 2πR ja ovat yhdensuuntaisia, joten niiden pistetulosta tulee. Lisäksi on vakio toroidin sisällä, joten se vodaan ottaa integraalimerkin eteen. ntegraali tarkoittaa pelkästään toroidin pituutta, joka on tässä tapauksessa 2πR. Ampèren lain vasen puoli on nyt laskettu. Lasketaan Ampèren lain oikea puoli Yhtälön oikealla puolella µ0 on tyhjiön permeabiliteetti ja SS Ampèren silmukan sisään jäävät virrat. Silmukan sisään jäävät virrat N missä N on Ampèren silmukan sisään jäävien johdinkierrosten lukumäärä. Ampèren lain oikea puoli on siis 0 sis 0 N Yhdistetään oikea puoli ja vasen puoli ja ratkaistaan 0N 2R 0N 2R Tämä on toroidin sisään jäävän magneettikentän lauseke.

Esimerkki 8.4: Pitkän, suoran virtajohtimen poikkipinta-ala on R-säteinen ympyrä. Virtatiheys johtimessa noudattaa yhtälöä r j j0, R missä r on etäisyys johtimen keskiakselista ja j0 on vakio. Laske -kenttä johtimen sisäpuolella ja ulkopuolella a) käyttäen Ampèren lain integraalimuotoa, b) käyttäen Ampèren lain differentiaalimuotoa. Ratkaisu: