SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Samankaltaiset tiedostot
SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

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

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

KYSYMYS: Lai*akaa varaukset järjestykseen, posi9ivisesta nega9ivisempaan.

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

a P en.pdf KOKEET;

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

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

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

SOVELLUS: SYKLOTRNI- KIIHDYTIN

Coulombin laki ja sähkökenttä

Potentiaali ja potentiaalienergia

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

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

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

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

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Harjoitus Nimi: Op.nro: Tavoite: Gradientin käsitteen sisäistäminen ja omaksuminen.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

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

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

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

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

RC- PIIRIT: KONDENSAATTORIN PURKAMINEN

Kvanttifysiikan perusteet 2017

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

DEE Sähkötekniikan perusteet

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

Sähköstaattinen energia

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

FY6 - Soveltavat tehtävät

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

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

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

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

Osa 5. lukujonot ja sarjat.

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Pinta-alojen ja tilavuuksien laskeminen 1/6 Sisältö ESITIEDOT: määrätty integraali

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

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

Sähköstaattinen energia

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

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa


ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

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

MS-A0004/MS-A0006 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6 / vko 42

Pythagoraan polku

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

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

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

4. Gaussin laki. (15.4)

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

Tekijä Pitkä matematiikka

Vektoreiden virittämä aliavaruus

Gaussin lause eli divergenssilause 1

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Sähköstaattinen energia

kertausta Esimerkki I

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

PAINOPISTE JA MASSAKESKIPISTE

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Luku Ohmin laki

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Transkriptio:

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017 Viikko Aihe kirjan luku Viikko 1 Sähköken>ä, pistevaraukset 14 Viikko 2 Varausjakauman sähköken>ä 16 Viikko 2 Sähköinen poteniaalienergia ja poteniaali 17 Viikko 3 Sähköken>ä ja aine 15 Viikko 3 MagneeNken>ä 18 Viikko 4 Kertausta Viikko 5 Sähköken>ä johimissa, 19 Viikko 5 sähköiset piirit, komponenit 20 Viikko 6 MagneeNnen voima 21 Viikko 7 Viikko 8 Kertausta tenn

KERTAUSTA VIIME VIIKOLTA Sähkö, ken>ä, Coulombin laki, superposiioperiaate Pistevarauksen sähköken>ä. Miten määrität ei origossa sijaitsevalle varaukselle? Mikä on dipoli ja miksi se on niin tärkeä? Miten sähköken>ä vaiku>aa dipoliin? Symmetria laskuissa Mikä oli pistevarauksen sähkökentän etäisyysriippuvuus? Pistevaraus (0 D), sille saaiin käänteisen neliönlaki r 2 E = 1 4πε 0 q r 2 ˆr

KYSYMYS: Pisteessä P sähköken>ä 1) Nolla 2) Osoi>aa vasemmalle 3) Osoi>aa ylös 4) Osoi>aa oikealle 5) Muu vastaus 6) En osaa sanoa

DIPOLIN KENTTÄ YLEISESTI E(r) = q " $ 4πε $ 0 # r r d r r r r d 3 r r 3 % ' ' & E(r) r r ' r y r ' q d q r ' d 1 E(r) = # 4πε 0 r 3 p ˆr 3 $ ( ) ˆr p % & p = qd, x Huom. Laskuharjoitus 1 Tehtävän 5 tulokset voitaisiin laskea myös tästä yleisestä tuloksesta suoraan

VARAUSJAKAUMAN SÄHKÖKENTTÄ: TAVOITTEET Oppia integroimaan Ie>yjen symmetristen varaus jakautumien sähköken>ä (vain osalle analyynset lausekkeet) Approksimoinnin jalo taito Kurssilla sähkökentän yms. tarkkaa lauseke>a tarkastellaan monesi myös likimääräisesi esim. tapauksissa joissa ollaan hyvin lähellä tai hyvin kaukana varauksista. Tällöin lauseke kehitetään potenssisarjaksi jossa tyypillisesi säilytetään vain ensimmäinen nollasta eroava termi. MUISTA DIPOLIAPPROKSIMAATIO!! Havaitaan miten varausjakauman dimensio vaiku>aa sähkökentän etäisyysriippuvuuteen

VARAUSJAKAUMAN SÄHKÖKENTTÄ: PERIAATE 1) Joukko pistevarauksia SuperposiIo! à summataan kaikkien varausten kentät 2) Jatkuva varausjakauma Jaetaan infinitesimaalisiin pieniin alkioihin lasketaan kunkin alkion aiheu>ama ken>ä tarkastelupisteessä kokonaisken>ä tarkastelupisteessä saadaan integroimalla yhteen kaikkien alkioiden kentät

VARAUSJAKAUMAN SÄHKÖKENTTÄ: PERIAATE Varausalkion sähköken>ä vektori! de = 4 1 πε dq r 2 rˆ, pieni varausalkio etäisyys tarkastelupisteeseen varausalkiosta dq E = de à E = de à E = 1 4πε 0 varausjakauma dq r 2 ˆr

LINEAARINEN VARAUSTIHEYS Tarkastellaan hyvin ohu>a (1D) sauvaa, jonka kokonais varaus on Q ja pituus L. Sauvan keskimääräinen lineaarinen varausiheys λ=q/l L ΔL varaus tällä pienellä pätkällä ΔL on ΔQ=λΔL. Oletetaan, e>ä varaus voi muu>ua sauvassa (q=q(x)) à lineaarinen varausiheys voidaan määritellä λ=dq/dx

PINTAVARAUSTIHEYS (VARAUSKATE) VastaavasI voidaan määritellään pinnan keskimääräinen varausiheys σ=q/a varaus tällä alueella ΔQ on ΔQ=σΔA. pinta ala A pintavarausiheys voidaan siis määritellä yleisesi σ=dq/da IlavuusvarausIheys: ρ=q/v tai ρ=dq/dv Mitkä ovat näiden yksiköt?

Laskarit 2, Tehtävä 1 Ohuen muovisen pallonkuoren säde on 15 cm, sen ulko pinnalla on tasainen pintavaraus 8 nc. SähköisesI neutraali johdekappale tuodaan 10 cm etäisyydelle sen pinnasta kuvan mukaisesi. Piirrä kuva. Hahmo>ele a) varausjakauma johdekappaleessa b) Piirrä johdekappaleen aiheu>aman sähkökentän voimakkuusvektori E johdekappaleen keskipisteessä ja c) laske kuinka suuri piirtämäsi E on. Vihje: Pohdi miten varaukset pääsevät liikkumaan vapaasi johdesauvassa. Miten pallokuoren sähköken>ä voiiin approksimoida?

OHUEN ERISTESAUVAN KENTTÄ* Mikä on sähköken5ävektori pisteessä P, joka sijaitsee etäisyydellä R koh:suoras: sauvan akselista? Lasketaan sauvan kaikkien pienten varausalkioiden dq aiheu>amien ken>ävektori alkioiden de summa. MieI miltä ken>ä näy>äisi ja symmetriaa! (säästää turhalta laskemiselta). Mikähän on y komponenn? Mitkä ovat oleelliset oletukset? L y Kirjan kuva 16.3 r x P de de = 1 4πε 0 dq r 2 = 1 4πε 0 λdy r 2, * tämä lasku on esitetty hyvin tarkkaan kirjan sivuilla 629635

OHUEN ERISTESAUVAN KENTTÄ* Oletuksia: Sauva on hyvin ohut ja vara>u tasaisesi. Niin ohut e>ä varausalkio on niin pieni, e>ä se voidaan mallintaa pistevarauksena Summataan eli integroidaan koko sauvan yli. Symmetrian perusteella E y =0 * tämä lasku on esitetty hyvin tarkkaan kirjan sivuilla 629635

OHUEN ERISTESAUVAN KENTTÄ* Ja si>en approksimoidaan rajatapauksia x >> L/2 x << L/2 * tämä lasku on esitetty hyvin tarkkaan kirjan sivuilla 629635

OHUEN HYVIN PITKÄN ERISTESAUVAN KENTTÄ Miksi ken5ä ei pienene nyt 1/x 2? P de 1 de 1 de 2 de 2 Kirjan kuva 16.5

OHUEN ERISTESAUVAN KENTTÄ Miten laske5aisiin ken5ä muualla kuin sauvan keskellä (äärellisen pituinen sauva)? Ks. Kirjan sivut 650651 Havaintopiste P on nyt <x,y,0> eikä <x,0,0>. Lasku menee muuten samalla lailla kuin edellä, mu>a nyt y komponenit eivät summaudu ihan nollaan tällä kertaa

Laskarit 2, Tehtävä 2 Sähkövaraus Q on jakautunut li>eän renkaan muotoiseen alueeseen, jonka ulkosäde on R u ja sisäsäde R s. Varauskate on vakio. Määritä sähkökentän ken>ävoimakkuus E renkaan keskipisteen kau>a kulkevalla suoralla Vihje: Laske ensin hyvin ohuen renkaan (paksuus dr ja säde R) sähkö ken>ä akselilla. Jaa rengas ensin pieniin osiin ja miei miten määrität renkaan varauska>een. Li>eän renkaan voi ajatella koostuvan näistä ohuista rengasalkioista. MieI taas symmetriaa! Mitkä komponenit ovat nollia?

Laskarit 2, Tehtävä 2 Sähkövaraus Q on jakautunut li>eän renkaan muotoiseen alueeseen, jonka ulkosäde on R u ja sisäsäde R s. Varauskate on vakio. Määritä sähkökentän ken>ävoimakkuus E renkaan keskipisteen kau>a kulkevalla suoralla Tulos: Huomaa: Jos sisäsäde menee nollaan ja ulkosäde à saadaan ääre>ömään ulo>uva taso. Tällöin voidaan approksimoida E σ/2ε 0 (Sama tulos johdetaan eritavalla Tehtävässä 2.3) Huomaa myös! Tällöin ken>ä ei riipu ollenkaan etäisyydestä z!

Laskarit 2, Tehtävä 2: Lisää huomioita Kirjan sivuilla 638 639, missä lasketaan juurikin ohuen renkaan sähköken>ä sen keskipisteen kau>a kulkevalla suoralla: E = 1 4πε 0 qz (z 2 R 2 ) 3 2 Kun z >> R näy>ää pistevaraukselta. Mu>a, z=0 ken>ä on nolla (symmetria. ks. kuva 16.18!) Sivuilta 640 642 taas lasketaan tasaisesi varatun ympyrälevyn ken>ä akselilla summaamalla yhteen ohuita renkaita. Saman tuloksen saat jos Tehtävässä 2.2 laitat R S à 0. Eli tulos on E = σ 2ε 0 " $ 1 # z % ' z 2 R 2 &

Laskarit 2, Tehtävä 2: Lisää huomioita Ympyrälevyn ken>ä on siis: E = σ " $ 1 2ε 0 # z z 2 R 2 % ' & Lähellä levyä z << R voidaan approksimoida E σ 2ε 0 # 1 z & % ( $ R' Kun z/r on hyvin pieni saadaan sama tulos kuin Tehtävässä 2 ääre>ömän levyn tapauksessa mielivaltaisella etäisyydellä akselista, eli E σ/2ε 0 Näistä voidaan helposi johtaa myös kondensaa>orin ken>ä!

ÄÄRETTÖMÄN PITKÄN SAUVAN KENTTÄ Tarkastellaan ensin hyvin pitkää äärellistä sauvaa Lasketaan ensin ken>ä pisteessä P sauvan päässä. y x θ P de de = 1 4πε 0 dq r 2 = 1 4πε 0 λdy r 2, dq r pitkä lasku tässä välissä x E = E x 2 E y 2 = 2 λ 4πε 0 x

ÄÄRETTÖMÄN PITKÄN SAUVAN KENTTÄ Yhdistetään kaksi sauvaa ääre>ömän pitkäksi sauvaksi Ken>ävektori missä hyvänsä etäisyydellä x johimesta on siten summa E A E B E = E A 2 E B 2 B E A P E = λ 2πε 0 x (sama tulos kuin edellä, äärellisen pituisen sauvan keskellä) A x E B Pitkän suoran johimen ken>ä on siis kaikkialla kohisuorassa johdinta vastaan (myös symmetriasta).

Laskarit 2, Tehtävä 3 Ääre>ömän pitkän ohuen tasaisesi varatun eristelevyn varauskate on η ja leveys L. Levy on xy tasossa välillä x=l/2 ja x=l/2. Mikä on sähkökentän voimakkuus E korkeudella z levyn yläpuolella? Entäpä jos z << L tai z >> L? Vihje: Voit ajatella e>ä levy koostuu hyvin ohuista, ääre>ömän pitkistä sauvoista. Määritä sauvan varauskate. (MieI mitä nuo approksimaaiot käytännössä tarkoi>aa ja mitä saamasi tulokset niillä tarkoi>avat ) Taas sama tärkeä tulos rajalla z << L à E z =η/2ε 0 Vertaa tätä harjoituksen 2.2 tulokseen, missä sama tulos saaiin ympyrälevylle, jonka säde vieiin ääre>ömyyteen. Ja myös kirjan tehtävään missä laskenin ken>ä lähellä ympyrälevyä.

ÄÄRETTÖMÄN TASOLEVYN SÄHKÖKENTTÄ E z =η/2ε 0 Kentän suuntautuminen kohisuoraan ulospäin levystä ja sen homogeenisuus, ts. e>ä sähköken>ä on samanlaineen (suunta ja suuruus) etäisyydestä riippuma>a joka paikassa, voidaan perustella myös symmetrian avulla.

d KONDENSAATTORI* Mitkä hyvänsä kaksi lähellä toisiaan olevaa johde kappale>a, joilla on erimerkkiset varaukset Q ja Q, muodostavat kondensaa>orin. Voidaan tallentaa sähkövarausta, varastoi energiaa sähköken>ään. Käytetään elektronisissa piireissä jännitevaihteluiden tasaamisessa. Mitä tapahtuu varauksille levyissä? Q pintaala A Q Millainen sähköken5ä muodostuu levyjen väliin? Onko levyjen ulkopuolella ken5ää? *Lue kirjan sivut 643 645

KONDENSAATTORI* à varaukset vetävät toisiaan puoleensa ja ase>uvat levyjen sisäpinnoille Kondensaa>orin sisällä E ja E samaan suuntaan à ne>oken>ä on suuri. E E E tot 0 E E E tot Ulkopuolella E ja E vastakkaisiin suuniin à ne>oken>ä on hyvin hyvin pieni (ks. Kirjan sivu 644 fringe field ) *Lue kirjan sivut 643 645

KONDENSAATTORI* Levyjen välissä ken>ävoimakkuus on 2 yhden levyn ken>ä E=E E Edelllä saaiin ympyrälevyn ken>ä, lähellä levyä E σ 2ε 0 # 1 z & % ( $ R' Tästä voidaan nyt helposi laskea ken>ä keskellä: E σ # 1 s / 2 & % ( σ = Q / A ε 0 $ R ' ε 0 ε 0 E E E tot 0 levyt lähellä toisiaan, s pieni 0 E E s E tot (eli ei juurikaan z riippuvuu>a) s z *Lue kirjan sivut 643 645

KONDENSAATTORI* s Kondensaa>orin ken>ä siis kun levyjen ala on A ja varaus niissä Q, sekä levyjen etäisyys on hyvin pieni verra>una levyjen säteeseen R E Q / A ε 0 E E E tot 0 Huom! Koska oletus, e>ä ollaan kaukana reunoilta tämä tulos pätee myös muiden mallisille kondensaa>oreille, esim. suorakulmio *Lue kirjan sivut 643 645 0 E E s E tot z

PALLOKUOREN KENTTÄ* läpileikkaus Lasku perustuu pallokuoren jakamiseen renkaisiin (pallokoordinaait) ja laskemalla näiden superposiio (integraali). Integraalista tulee hyvin vaikea. Seuraavalla luennolla huomataan e>ä usein helpompi määri>ää poteniaali ja laskea siitä ken>ä derivoimalla E = 1 4πε *Lue kirjan sivut 645 647 ja lasku s. 651 652 Q r 2 r > R (näy>ää pistevaraukselta)