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

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Magneettikenttä ja sähkökenttä

4. Gaussin laki. (15.4)

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

Elektrodynamiikka, kevät 2008

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

Magneettikenttä väliaineessa

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Sähkömagneettinen induktio

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

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

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

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

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

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA PERUSTEHTÄVIÄ RATKAISUINEEN

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

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

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

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.

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

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

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

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

Luku Sähköinen polarisoituma

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

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

a P en.pdf KOKEET;

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Elektrodynamiikka, kevät 2002

Sähkömagnetismi (ENG2)

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

Sähkömagneettinen induktio

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

SMG-1400 SMG KENTÄT JA AALLOT 2 Kriteerit tenttiin Suuriniemi

Staattinen magneettikenttä

Staattinen magneettikenttä

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Staattinen magneettikenttä

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

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

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

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

Staattinen magneettikenttä

Sähkömagnetismi (ENG2)

Kuvan 9.1 mukaisessa ajatuskokeessa varataan kondensaattoria sähkövirralla I. Ampèren lain mukaan

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

Sähkömagneettinen induktio

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

Potentiaali ja potentiaalienergia

Pieni silmukka-antenni duaalisuus. Ratkaistaan pienen silmukka-antennin kentät v ielä käy ttämällä d uaalisuud en periaatetta.

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

Harjoitustyö, joka on jätetty tarkastettavaksi Vaasassa

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

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

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

Luku Ohmin laki

Luku Siirrosvirta

Transkriptio:

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas jari.kangas@tut.fi Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos Sähkömagnetiikka 2009 1

Sähköstatiikka Coulombin laki ja sähkökentän voimakkuus Ensimmäinen johdonmukainen havainto sähköstä: Coulombin laki F q 1 q 2 Ω F 12 (r 1 ) = q 1q 2 4πɛ 0 r 1 r 2 r 1 r 2 3. 1. Argumenttina vektori (koordinaatit) ja paluuarvona myös vektori 2

2. Sisältää paikallaan pysyvien varausten välisen vuorovaikutuksen Useita varauksia: asetetaan testivaraus q 3 ja lasketaan voimat F 12 F 13 yhteen. F F 13 q 3 F 12 q 1 q 2 Ω F(r 1 ) = F 12 (r 1 ) + F 13 (r 1 ). Sähkökentän idea: voima varausta kohti tarkastelualueen Ω jokaisessa pisteessä, q 1 E(r 1 ) = F(r 1 ). Yleistyy varausjakaumille, dipoleille, etc. 3

Kenttien integraalit Käyrä-, pinta- ja tilavuusintegraalit Varaukseen liikuttamiseen käyrällä C tarvittava työ: q 1 C q 2 W = q 1 C E dl Virta pinnan läpi S n J I = S J nda 4

Tilavuudessa oleva kokonaisvaraus: V ρ Q = V ρ dv 5

Sähkövuon tiheys Tarkastellaan tyhjössä olevaa varausta q: Integroidaan sen aiheuttama E kenttä pienen pallopinnan yli. S q x n S q r r 4πɛ 0 r r 3 n da. Jokaisella säteelle x, pätee, että r r = x ja r r r r = n, jolloin saamme S q 1 4πɛ 0 x 2 da = q 4πɛ 0 x 2 S da = q 4πɛ 0 x 2 4πx2 = q ɛ 0. 6

Pinnan muodolla ei ole väliä (kunhan se rajaa varauksen), vain sisäpuolella olevan varauksen suuruudella, jolloin tyhjössä ɛ 0 E nda = q i, V i missä q i on pistevaraukset tilavuudessa V. Yleistyy myös muille varausjakaumille, ɛ 0 E nda = V V ρ dv. Mutta entäpä muunlaiset materiaalit? 7

Eristeessä jokaiselle tilavuudelle V pätee, ɛ 0 E nda + P nda = (ɛ 0 E + P) nda = V V tai div (ɛ 0 E + P) = ρ. Kenttä D = ɛ 0 E + P on sähkövuon tiheys. V V ρ dv, Yleensä ɛ 0 ja χ e yhdistetään, D = ɛ 0 E + P = (ɛ 0 + χ e )E = ɛe. Suuretta ɛ kutsutaan materiaalin permittiivisyydeksi. Sähköstatiikan lainalaisuudet ovat siis curl (E) = 0 div (D) = ρ ja ne kytkee toisiinsa väliaineyhtälö D = ɛe. 8

Magnetostatiikka Keskeinen havainto on voima kahden virtasilmukan välillä. F 12 S 2 I 2 I 1 S 1 Virtajohdin luo aina ympärilleen magneettikentän Biot-Savartin lain mukaan: B(r) = µ J(r ) (r r ) 4π V r r 3 dv. (1) Pitkälle suoralle johtimelle (ilmassa) voidaan johtaa yhtälö 9

(peräisin Ampère-Maxwellista) B = µ 0I 2πr. (2) Voidaan näyttää, että div(b) = 0 pätee magneettivuon tiheydelle B. 10

Magneettikentän voimakkuus H toteuttaa Ampèren lain H dl = J n da S S S J tai curl(h) = J, missä J on virrantiheys. 11

Monet materiaalit reagoivat magneettikenttään, vastaavalla tavalla monet materiaalit reagoivat sähkökenttään. Magnetoituvien materiaalien mallintamisessa käytetään yksinkertaista dipolimallia. Magneettisia dipoleita merkitään m:lla ja niiden jakaumaa, magnetisaatiota, M:lla. Magneettinen suskeptibiliteetti χ m kuvaa magnetisaation voimakkuuden H funktiona, M = χ m H. Väliaineyhtälö magneettikentälle on B = µ 0 (H + M) = µ 0 (1 + χ m )H, tai B = µh, missä µ on materiaalin permeabiliteetti. Lineaarisessa väliaineessa µ on vakio (oletetaan vakioksi) H:n suhteen. 12

Faradayn laki Faradayn lain mukaan: B n S S magneettivuon Φ = B n da aikamuutos pinnan S läpi on S miinus sähkömotorinen voima V = E dl pinnan reunan yli S S, V = dφ tai E dl = d B n da. dt S dt S Pätee kaikille pinnoille S! 13

Huomaa, että integraali kentästä, joka on nolla, on nolla. Jos B muuttuu ajan suhteen, myös vuo muuttuu, jolloin integraali E:sta ei ole nolla E ei ole nolla kenttä. Faradayn laki differentiaalimuodossa: Oletetaan, että S ei liiku. Tällöin B E dl = S S t n da. pätee. Tämä voidaan esittää Stokesin lauseen avulla muodossa: B curl (E) n da = t n da. S Pätee kaikille pinnoille S, joten seuraavan lain täytyy toteutua: curl (E) = B t. MUISTA! Integraalimuoto pätee myös jos S liikkuu, mutta differentiaalimuoto vaatii tällöin extra termejä E kentaän lisäksi, kuten v B. S 14

Ampère-Maxwellin laki Tarkastellaan alla olevaa tapausta. Ampèren lain mukaan H:n integraali S:n yli on yhtä suuri kuin pinnan S 1 läpi menevä nettovirta I. S S 1 J n Mutta S 1 ei ole ainoa pinta, jota käyrä S rajaa. 15

S on myös pinnan S 2 reuna, mutta nettovirta S 2 : läpi on nolla! S S 1 J n n S 2 Mitä tässä oikein tapahtuu? 16

Varausten säilymisen perusteella, varausten virta lisää kondensaattorin levyllä olevaa varausta. Niinpä levyllä olevan kokonaisvarauksen (ja siten varaustiheyden) täytyy muuttua. Ts. tämä ei voi olla staattinen tapaus. Koetetaan hyödyntää virranjatkuvuusyhtälöä J n da = d ρ dv = dq dt dt. V Paikallaan olevalle tilavuudelle V pätee ρ J n da = t dv. V Gaussin lain perusteella div (J) dv = V V V V ρ t dv ja koska tämä toteutuu kaikille mahdollisille tilavuuksille V, 17

saamme: div (J) = ρ t. Tarkastellaan V J n da = d dt ρ dv tilavuudessa, jonka V reuna pinta S 1 + S 2 on. Tällöin J n da = d ρ dv. S 1 +S 2 dt V S S 1 J n n S 2 18

Varaustiheyden ja sähkökentän liittää toisiinsa Gaussin laki ρ dv = D n da. V V Nämä yhdistämällä voidaan muodostaa yhtälö J n da = d D n da = S 1 +S 2 dt V tilavuudelle V, joka ei liiku. S 1 +S 2 D t n da S S 1 J n n S 2 19

Tästä voimme päätellä, että S 1 (J + D t ) n da = S 2 (J + D t ) n da. Itse Maxwell teki olettamuksen, että ainoastaan J ei yksin riitä vaan, että tarvitaan molemmat termit eli J + D t. Olemme siis muodostaneet nk. Ampère-Maxwell lain H dl = (J + D D ) n da, tai curl (H) = J + t t. S S 20

Maxwellin yhtälöt Integraali muodossa Differentiaali muodossa S H dl = D (J + S t ) n da D curl (H) = J + t S E dl = d dt S B n da B curl (E) = t B n da = 0 div (B) = 0 V V D n da = V ρ dv div (D) = ρ D = ɛe J = σe B = µh Muista myös virranjatkuvuusyhtälö, joka voidaan johtaa Ampère-Maxwellin yhtälöstä. 21

Esimerkki:Virrallisen johdinparin aiheuttama sähkömotorinen voima (häiriöjännite) silmukkaan Alla on periaatekuva tapauksesta, missä vasemmalla on johdinpari ja oikealla silmukka, jossa häiriöjännitettä mitataan. Olkoon johdinten välinen etäisyys 2 a ja etäisyys niin puolivälistä silmukan puoliväliin R. Silmukan pinta-ala on A = d 2 l. R I I n l 2 a d 2 22

Silmukka on pienikokoinen ja kaukana johdinparista (R a), joten oletetaan virtajohdinten aiheuttaman kentän olevan vakio silmukassa. Lasketaan ensiksi Ampèren lain avulla virtajohdinten aiheuttama kenttä silmukan keskellä. Kun H on tunnettu, B saadaan väliaineyhtälöstä B = µh. Lopuksi Faradayn laista saadaan sähkömotorisen voiman suuruus. 23

1. Yhden johtimen aiheuttama kenttä etäisyydellä r. Kuten edellä on tullut esille Toisaalta J nda = I. S Joten H = I 2πr. S H dl = 2πrH. 2. Molempien virtajohdinten aiheuttama kenttä silmukkaan (H k =kentän voimakkuus silmukan keskipisteessä) H k = I 2π ( 1 R a 1 R + a ) (3) = I 2π ( 2a R 2 a 2 ) I2a 2πR 2 (4) 24

Silmukan normaali on samansuuntainen H:n kanssa, joten B n = µ 0 (µ 0 on tyhjön permeabiliteetti) Ia πr 2 3. Jos virta on muotoa I = i 0 sin(ωt), niin silmukkaan indusoitunut sähkömotorinen voima on e = φ t = µ 0ω aa πr 2 i 0cos(ωt). (5) 4. Jos tarkoituksena on pienentää häiriöjännitettä, on ainakin kaksi mahdollisuuutta (a) pienennetään a:ta (johtimet tiukkaksi johdinpariksi) (b) pienennetään tehollista pinta-alaa; joka käännetään johdinta tai pyritään pienentämään sen pinta-alaa. 25

Ohmin lain mukaan J = σe, (6) missä σ on johtavuus (vrt. U=RI). Huomaa siis, että muuttuva magneettikenttä, joka indusoi sähkömotorisen voiman, aiheuttaa johteisiin pyörrevirtoja. 26