Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Samankaltaiset tiedostot
Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

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

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

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

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

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

DEE Sähkötekniikan perusteet

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Kvanttifysiikan perusteet 2017

a P en.pdf KOKEET;

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

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

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

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

FY6 - Soveltavat tehtävät

4. Gaussin laki. (15.4)

Luku Ohmin laki

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

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

Magneettinen energia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

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

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Sähkömagneettinen induktio

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Sähkömagnetismi (ENG2)

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Shrödingerin yhtälön johto

Sähköstatiikka ja magnetismi

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Sähköstatiikka ja magnetismi Kondensaattorit ja kapasitanssi

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

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Sähkömagnetismi (ENG2)

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Fy06 Koe ratkaisut Kuopion Lyseon lukio (KK) 5/13

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

DEE Sähkötekniikan perusteet

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Jännite, virran voimakkuus ja teho

+ 0, (29.20) 32 SÄHKÖMAGNEETTISET AALLOT (Electromagnetic Waves) i c+ ε 0 dφ E / dt ja silmukan kohdalla vaikuttavan magneettivuon tiheyden

7. Resistanssi ja Ohmin laki

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Lauri Puranen Säteilyturvakeskus Ionisoimattoman säteilyn valvonta

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

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

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

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

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

SMG-1400 SMG KENTÄT JA AALLOT 2 Kriteerit tenttiin Suuriniemi

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

Transkriptio:

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi? Oleteaan tyhjiö: ei virtoja ei varauksia Muutos magneettikentässä saisi aikaan sähkökentän. Muutos vuorostaan sähkökentässä saisi aikaan magneettikentän....ja niinhän siinä käy...

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Maxwellin yhtälöistä aaltoyhtälöön

Maxwellin yhtälöistä aaltoyhtälöön Yrite:

Maxwell ja hänen yhtälönsä seurasi sähkömagneettinen aalto Miksi sähkömagneettinen aalto on hämmästyttävä: 1. Sähkömagneettinen aalto ei tarvitse liikkuakseen väliainetta, se syntyy sähkö- ja magneettikenttien vuorovaikutuksesta. 2. Sähkömagneettinen aalto etenee tyhjiössä valonnopeudella, joka on suurin mahdollinen signaalinopeus. Kannattaa huomata, että sekä 1. että 2. tulivat tunnetuiksi vasta Maxwellin jälkeen.

Sähkömagneettinen aalto: hämmästys Michelsonin ja Morleyn koe (1881, 1887): eetteriteorian loppu Jos valo liikkuisi eetterissä, niin maassa mitattu valonnopeus riippuisi maapallon liikkeestä suhteessa eetteriin. Tulos: valonnopeus ei riipu maan liikkeestä!

Sähkömagneettinen aalto: spektri

Sähkömagneettinen aalto: sovellukset SM-aallon synnyttäminen ja havaitseminen (Heinrich Hertz, 1887) Langaton lennätin (Nikola Tesla, 1894) Langaton lennätin toisen kerran (Guglielmo Marconi, 1897) Ääniradio (Reginald Fessenden, 1906) Televisio (1920-luku) Hertz Marconi Tesla Fessenden

Sähkömagneettinen aalto: ominaisuudet Sähkö- ja magneettikentällä on omat energiatiheytensä. Sähkömagneettisessa aallossa nämä molemmat ovat läsnä. Kentän kokonaisenergia jakautuu tasan sähkö- ja magneettikentän välille.

Sähkömagneettinen aalto: energian kuljetus Pinta-alayksikön läpi kulkeva energia hetkellä t Poyntingin vektori Intensiteetti Sinimuotoisille aalloille: John Henry Poynting (1852-1914)

Sähkömagneettinen aalto: liikemäärän kuljetus Sähkömagneetiinen aalto kuljettaa energian ohella liikemäärää. Kun aalto osuu pintaa, kohdistuu tähän voima: Jos aalto absorboituu täysin: Jos aalto heijastuu täysin: Joten säteilypaine on: tai aallon heijastuessa:

Sähkömagneettinen aalto: liikemäärän kuljetus Aurinko säteilee maanpinnalle energiaa noin 1000 W/m2. Kuinka suuren paineen tämä aiheuttaa? Approksimoidaan hieman:

Sähkömagneettinen aalto: avaruuspurje Oletetaan: purjeen koko 1 km x 1 km purje täysin heijastava Kuinka paljon voimaa tällaiseen purjeeseen kohdistuu maan etäisyydellä auringosta? Paljonko 5000 kg:n painoisen avaruusaluksen nopeus kasvaisi vuodessa? Paljonko alus kulkisi tässä ajassa, jos se lähtisi levosta? Noin 4 kertaa etäisyys maasta aurinkoon

Virta ja vastus Jännite-ero V siirtää varauksia. Syntyy virta Materiaali kuitenkin vastustaa virran kulkua. Ilmiötasolla tämän selittää Ohmin laki: Johtimen resistanssi R riippuu poikkipinta-alasta A, pituudesta ℓ ja resistiivisyydestä ρ: Virran teho P on: Georg Simon Ohm (1789-1854)

Mikroskooppinen virta Virrantiheys j: Jos j on vakio: j = I/A Varauksenkuljettajien ajautumisnopeus vd n = N/V = varauksenkuljettajien tiheys V = Aℓ eli

Virta ja vastus 1. Varaus säilyy Kirchhoffin 1. sääntö eli lähtvien virtojen summa on tulevien virtojen summa I1 I2 Gustav Robert Kirchhoff (1824 1887) I3 2. Energia säilyy Kirchhoffin 2. sääntö eli potentiaalin muutos kierrossa on nolla (i) (ii) (iii)

Virta ja vastus eli miksi sähkö-(d)-insinöörit opiskelevat matriisilaskua V3 R2 R5 Kirchhoffin 1. sääntö: I1 = I2 + I3 Kirchhoffin 2. sääntö: R1 V3 - r I1 - R5I1 + V2 - r I2 - R1I2 - R2I1 = 0 V2 V1 - r I3 - R4I3 - R2I1 + V3 - r I1 - R5I1 - R3I3 = 0 R3 R4 V1

Kapasitanssi & kondensaattori Kondensaattori (engl. capacitor) on laite, joka pystyy varastoimaan sähkövarausta.

Kapasitanssi ja levykondensaattori C on kapasitanssi

Kapasitanssi Siis: Vehkeen, joka säilöö yhden coulombin varauksen yhden voltin jännitteen yli, kapasitanssi on Eri C (kapasitanssi / coulombi) (faradi) Eri V (jännite / voltti) Paljonko 1 faradi sitten on? Sanotaan, että levykondensaattorissa d = 1,0 mm ja halutaan C = 1,0 F

Kondensaattoreita Leydenin pullo, Ewald Georg von Kleist 1745, C ~ 1 nf Kuvat: Wikipedia Moderni muovikondensaattori C = 1 μf Vmax = 630 V Paperikondensaattori 1930-luku C = 8 μf Vmax = 525 V

Parempia kondensaattoreita? Superkondesaattori : C = jopa 1000 F Vmax = muutama V Purkautuu itsestään Pieni jännitteenkesto Voidaan purkaa nopeasti Helppo ladata Suuri kapasiteetti Kuvat: Wikipedia

Kondensaattori vai jokin muu? Kuvat: Wikipedia

Kapasitanssi ja geometria Määritettävä jännite V, kun varaus Q tunnetaan. Gaussin lain avulla, kun Rb < R < Ra C=?

Meissäkin on kapasitanssia Solukalvon kapasitanssi C ~ 2 μf/cm2 Solukalvon maksimijännte Vmax ~ 200 mv Solukalvon kytkentäkaavio: d Solukavon paksuus d ~ 7-8 nm Kuvat: Wikipedia

Sähkökenttä ja väliaine: Johde Johteessa sähkökenttä häviää. Jollei näin olisi, liikkuisivat varaukset kunnes näin olisi. Johde suojaa sähkökentältä Varaukset liikkuvat johteessa, kunnes

Sähkökenttä ja väliaine: Johde Gaussin laista seuraa, että varaus on johteen pinnalla Johteen sisällä sähkökenttää ei ole Varausta vain pinnalla

Sähkökenttä ja väliaine: Eriste Eristeessä ei ole vapaasti liikkuvia varauksia. Kenttä polarisoi eristeen.

Täytetty kondensaattori Eriste, ei johda sähköä mutta polarisoituu kenttä E0 heikkenee kentäksi ED Kenttä eristeessä. suhteellinen permittiivisyys, myös κ

Täytetty kondensaattori: Kuinka käy kapasitanssin ja miksi? Koska K 1, kapasitanssi kasvaa.

Täytetty kondensaattori: Kaksi toimintatapaa Toinen tapaus: V = V0 jolloin Q = KQ0 > Q0 Äskeinen esimerkki Q = Q0

Kondensaattorin syömä energia Olkoon kondensaattorissa varaus q ja jännite V. Siirrettäessä varaus dq levyltä toiselle tehdään työ: Ladattaessa kondesaattori varaukseen Q tehdään siis työ: Koska häviöitä ei ole, on tämä myös kondensaattoriin varastoitu energia U Eristetäytteinen tapaus: C = KC0

Kondensaattorin energian paikka Kondensaattoriin varattu energia säilötään sähkökenttään, näin: Kondensaattorin tilavuus Yleistävä loppupäätelmä: sähkökentässä on säilöttynä energiaa.