ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Samankaltaiset tiedostot
ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

Potentiaali ja potentiaalienergia

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Elektrodynamiikka, kevät 2008

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

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

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

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

= ( F dx F dy F dz).

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Sähköstaattinen energia

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

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

4. Gaussin laki. (15.4)

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

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Coulombin laki ja sähkökenttä

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

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Elektrodynamiikka, kevät 2002

Magneettikenttä väliaineessa

Sähköstaattinen energia

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

SATE.1060 STAATTINEN KENTTÄTEORIA

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

5 Kentät ja energia (fields and energy)

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Sähköstaattinen energia

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Luennoitsija: Jukka Maalampi Luennot: , ma 9-10 ja ke Luentoja ei ole viikoilla 15 (pääsiäisviikko).

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

Asia on periaatteessa tuttua peruskurssilta, mutta laskennallinen

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

a P en.pdf KOKEET;

Luku Sähköinen polarisoituma

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Maailmankaikkeudessa on tietty määrä positiivisia ja negatiivisia sähkövarauksia.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

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.

edition). Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti.

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

1 Voima ja energia sähköstatiikassa

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

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Esim. Liikkuvan kappaleen radiusvektori. on ajan funktio, missä komponentit x, y ja z riippuvat yhdestä muuttujasta, ajasta t.

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Numeerinen integrointi

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

22. SÄHKÖSTATIIKKA Sähkövaraus, Q, q

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Transkriptio:

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016) Henrik Wallén / versio 26. syyskuuta 2016

Sähköstatiikka (Ulaby, luku 4.1 4.5) Maxwellin yhtälöt statiikassa Coulombin voimalaki Gaussin laki Potentiaali Dipolin potentiaali ja sähkökenttä Laplacen yhtälö 2 (22)

Maxwellin yhtälöt statiikassa Statiikassa lähteet ja kentät eivät riipu ajasta, jolloin sähkömagneettinen kytkentä häviää: Maxwellin yhtälöt E = B t H = J + D t D = ρ v B = 0 Sähköstatiikka E = 0 D = ρ v D = ε E Magnetostatiikka H = J B = 0 B = µ H 3 (22)

Coulombin voimalaki ja sähkökenttä Coulombin voimalain avulla voidaan, kuten Sähkö ja magnetismi -kurssilla, määritellä pistevarauksen sähkökenttä: q F = q E q E = R q 4πε 0 R 2 Sähkökenttä on siis yksikkötestivarauksen kokema sähköinen voima (ja Coulombin laki antaa pistevarauksen sähkökentän). 4 (22)

Origonsiirto ja varausjakauman kenttä Origonsiirto q 1 E = R R 1 q 1 R R 1 }{{} 4πε R R 1 2 yksikkövektori R 1 R origo Merkitsemällä R R 1 = R = R R saadaan E = R q 1 4πε R 2 Varausjakauma ρ v jaetaan osiin dq ja integroidaan E = V R ρ v dv 4πε R 2 Integraali on varausjakauman yli ja vektori R on lähdepisteestä kenttäpisteeseen. (Muualla R voi tarkoittaa jotain aivan muuta. Ole tarkkana notaation kanssa... )

Esim: Äärellisen viivavarauksen kenttä 1 +L/2 ρ l dz 1 L/2 E = z ρ l L/2 L/2 R E =? r R ρ l dz 1 4πε R 2 = ρ l 4πε L/2 L/2 Muuttujanvaihdos z z 1 = l antaa Kenttäpiste (r, z) Lähdepiste (0, z 1 ) R = r r + ẑ (z z 1 ) (Ratkaisu on pyörähdyssymmetrinen.) r r + ẑ (z z 1 ) ( r 2 + (z z 1 ) 2) 3/2 dz 1 E = ρ l 4πε z+l/2 z L/2 r r + ẑ l ( r 2 + l 2) 3/2 dl 6 (22)

Esim: Äärellisen viivavarauksen kenttä 2 Integroimiskaavoilla dx ( x 2 + a 2) 3/2 = x a 2 x 2 + a 2, x dx ( x 2 + a 2) 3/2 = 1 x 2 + a 2 saadaan ρ l z+l/2 r r + ẑ l ( r 2 + l 2) 3/2 dl E = 4πε z L/2 = ρ [ ( ) l z + L/2 r 4πε r r 2 + (z + L/2) z L/2 2 r r 2 + (z L/2) ( 2 )] 1 + ẑ r 2 + (z L/2) 1 2 r 2 + (z + L/2) 2 (Suoraviivaista mutta hieman työlästä integrointia.) 7 (22)

Esim: Äärellisen viivavarauksen kenttä 3 8 (22)

Esim: Äärettömän viivavarauksen kenttä Raja-arvona L/2 E = ρ [ ( ) l z + L/2 r 4πε r r 2 + (z + L/2) z L/2 2 r r 2 + (z L/2) ( 2 )] 1 + ẑ r 2 + (z L/2) 1 2 r 2 + (z + L/2) 2 saadaan äärettömän viivavarauksen kenttä ρ l E = r 2πεr 9 (22)

Gaussin laki Integroimalla Gaussin lakia ds = n ds D = ρ v tilavuuden V yli D dv = ρ v dv V V V S saadaan Gaussin lauseen avulla integraalimuotoinen Gaussin laki S D ds = Q Sähkövuo suljetun pinnan läpi on pinnan sisällä oleva kokonaisvaraus. Voidaanko määrittää D valitsemalla sopiva Gaussin pinta S? 10 (22)

Esim: Tasovarauksen sähkövuontiheys Tasovaraustiheys ρ s tasossa z = 0 D = ±ẑ D(z) =? Valitaan Gaussin pinnaksi ρ s sylinteri säteellä a ja h/2 korkeudella h. Gaussin pinnan sisäpuolella on kokonaisvaraus Q = πa 2 ρ s. Sähkövuo Gaussin pinnan läpi on S D ds = D ds + kansi D ds + pohja D ds sivu = D(h/2) πa 2 + D( h/2) πa 2 + 0 = 2πa 2 D +ẑ ρ s /2, z > 0 D = ρ s /2 D = ẑ ρ s /2, z < 0 11 (22)

Sähköstaattiset perusratkaisut (3D, 2D ja 1D) Symmetria ja Gaussin laki D E = D/ε Pistevaraus q origossa E = R q 4πεR 2 pallokoordinaatistossa Viivavaraus ρ l z-akselilla E = r ρ l 2πεr sylinterikoordinaatistossa Tasovaraus ρ s tasolla z = 0 E = ±ẑ ρ s 2ε suunta poispäin tasosta E 1 etäisyys (dimensio 1) 12 (22)

Potentiaali Sähköstaattinen skalaaripotentiaali, eli lyhyemmin potentiaali V, voidaan määritellä kahdella tavalla: Potentiaali V on sähkökentän potentiaalienergia yksikkövarausta kohti. Koska staattinen sähkökenttä on konservatiivinen eli pyörteetön, E = 0, se voidaan esittää skalaarifunktion gradienttina: E = V Miinusmerkki ei ole mielivaltainen valinta. Se tarvitaan, jotta määritelmät olisivat yhtäpitäviä. 13 (22)

Potentiaali ja työ q V 1 dl E C V 2 Siiretään pistevaraus q pisteestä 1 pisteeseen 2 käyrää C pitkin. Sähköinen voima on F e = qe, joten tasapainotilanteessa tarvitaan ulkoinen voima F ext = F e. Ulkoisen voiman tekemä työ on tällöin W = F ext dl = q E dl = q ( V ) dl = q (V 2 V 1 ). C C Potentiaalin muutos on työ/varaus, eli potentiaalienergian muutos/varaus. Samalla saatiin jännitteelle lauseke V 21 = V 2 V 1 = E dl C C 14 (22)

Kirchhoffin jännitelaki Staattinen sähkökenttä on pyörteetön: E = 0 Integroidaan mielivaltaisen avoimen pinnan yli, ja käytetään Stokesin lausetta: S ( E) ds = C E dl = 0 Kirchhoffin jännitelain mukaan suljetun silmukan jännite on nolla. Tämähän on sama asia, mutta staattiselle sähkökentälle kirjoitettuna. Toisaalta on konservatiivisen vektorikentän määritelmä. 15 (22)

Nollapotentiaali ja pistevarauksen potentiaali Potentiaaliin V voidaan lisätä mielivaltainen vakio V 0 muuttamatta sähkökenttää: E = (V + V 0 ) = V. Origossa olevan pistevarauksen potentiaali on pakko olla pallosymmetrinen, eli V = V (R). Tällöin E = V = R V R = R q 4πεR 2 V = q dr 4πε R 2 = q 4πεR + V 0 Valitsemalla V 0 = 0 V saadaan yksinkertaisin lauseke ja äärettömyyteen nollapotentiaali (kuten yleensä halutaan). 16 (22)

Yleisen varausjakauman potentiaali Varausjakauman potentiaali saadaan integroimalla tilavuuden (tai käyrän tai pinnan) yli: V = V ρ v dv 4πεR missä R on etäisyys tarkastelu- ja integroimispisteen välillä. Tämä on useimmiten paljon helpompi integraali kuin sähkökentän vastaava, joten usein lasketaan ensin V ja sitten E = V (jos tarpeen). 17 (22)

Dipolin potentiaali z R 1 Pistevarausten ±q potentiaali: V = 1 ( q q ) = q ( ) R2 R 1 4πε R 1 R 2 4πε R 1 R 2 +q p = ẑ qd q θ R 2 R d cos θ Jos R d, saadaan V q ( ) d cos θ 4πε R 2 Dipolimomentin p avulla lausuttuna pistemäisen dipolin potentiaali on: V = p R 4πεR 2 18 (22)

Dipolin sähkökenttä E = V = qd ( ) cos θ 4πε R 2 = qd 4πεR 3 ( R 2 cos θ + θ sin θ ) Huom: Pistemäinen dipoli (d 0, kun p = qd = vakio) tai R d. 19 (22)

Poissonin ja Laplacen yhtälöt Gaussin lain, väliaineyhtälön ja potentiaalin avulla saadaan D = (εe) = (ε V ) = ρ v. Jos väliaine on homogeeninen (eli ε ei riipu paikasta), saadaan Poissonin yhtälö 2 V = ρ v ε, joka lähteettömässä alueessa (ρ v = 0) muuttuu Laplacen yhtälöksi: 2 V = 0 20 (22)

Laplacen yhtälön ratkaisu Toinen derivaatta f (x) mittaa funktion f kaarevuutta 2 V = 0 kokonaiskaarevuus = 0 Jos funktio toteuttaa Laplacen yhtälön tietyssä alueessa, se ei voi saada maksimeja tai minimeja tässä alueessa. Esim: V = x 2 y 2 2 V = 2 V x 2 + 2 V y 2 = 2 2 = 0

Laplacen yhtälön ratkaisu Laplacen yhtälön ratkaisu annetuilla reunaehdoilla muistuttaa pingottua kumikalvoa. (Miten sähkökenttä käyttäytyy nurkkien kohdalla?) 22 (22)