TFE4120 Elektromagnetisme

Like dokumenter
FYS1120 Elektromagnetisme

Vektoranalyse TFE4120 Elektromagnetisme

Tegn en skisse som tydelig viser integrasjonsområdet og grensene: = 1 3. dy = 1 3

Oppgavene er hentet fra fagets lærebok, Hass, Weir og Thomas, samt gamle eksamener.

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

Løsningsforslag til øving 4

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING 11, TMA4105, V2008. x = r cos θ, y = r sin θ, z = 2r for 0 θ 2π, 2 2r 6. i j k. 5 r dr dθ = 8

Løsningsforslag til øving 3

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Mandag qq 4πε 0 r 2 ˆr F = Elektrisk felt fra punktladning q (følger av definisjonen kraft pr ladningsenhet ): F dl

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

(t) = [ 2 cos t, 2 sin t, 0] = 4. Da z = 2(1 + t) blir kurva C en helix/ei skruelinje på denne flata (se fig side 392).

Løsningsforslag til øving

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Randkurva C til flata S orienteres positivt sett ovenfra, og kan parametriseres ved: r (t) = [ sin t, cos t, sin t] dt, 0 t 2π.

PARAMETERFRAMSTILLING FOR EN KULEFLATE

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Vektorer.

Oppgavesettet har 10 punkter 1, 2ab, 3ab, 4ab, 5abc som teller likt ved bedømmelsen.

Vektorkalkulus Introduksjonsforelesninger

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Prøveeksamen i MAT 1100, H-03 Løsningsforslag

Løsning IM

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4130 BØLGEFORPLANTNING

dx = 1 1 )dx = 3 y= x . Tangentplanet til hyperboloiden i (2, 1, 3) er derfor gitt ved x 2, y 1, z 3 = 0 x 2 + 2(y 1) 2 (z 3) = 0 x + 2y 2z 3 = 2

Obligatorisk oppgåve 1

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, 8.juni 2010

y = x y, y 2 x 2 = c,

= (2 6y) da. = πa 2 3

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

SIF5005 MATEMATIKK 2 VÅR r5 drdθ = 1 m. zrdzdrdθ = 1 m. zrdzdrdθ =

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, vår 2009

UNIVERSITETET I OSLO

Onsdag og fredag

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Løsningsforslag til øving 8

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 30. mai 2006 kl

Integraler. John Rognes. 15. mars 2011

Obligatorisk oppgave 2

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAGET 5005/7 MATEMATIKK 2 1. august der k er et vilkårlig heltall. Det gir

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: MAT-1003 Dato: Tirsdag 15. desember 2015 Tid: Kl 15:00 19:00 Sted: Åsgårdvegen 9

EKSAMEN I EMNE TFE 4130 BØLGEFORPLANTNING

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

a 2 x 2 dy dx = e r r dr dθ =

UNIVERSITETET I OSLO

Tirsdag E = F q. q 4πε 0 r 2 ˆr E = E j = 1 4πε 0. 2 j. r 1. r n

UNIVERSITETET I OSLO

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Løsning, Stokes setning

a) Bruk en passende Gaussflate og bestem feltstyrken E i rommet mellom de 2 kuleskallene.

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

e y + ye x +2x xe y + e x +1 0 = 0

Figur 1: Volumet vi er ute etter ligger innenfor de blå linjene. Planet som de røde linjene ligger i deler volumet opp i to pyramider.

MAGNETFELT OG MAGNETISME SOM RELATIVISTISK FENOMEN

Løsning IM

Tillegg om strømfunksjon og potensialstrøm

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

Løsningsforslag til eksamen i REA Fysikk,

R2 - Kapittel 1: Vektorer

EKSAMENSOPPGAVE. KRAFT I og II Hall del 2 Kraft sportssenter Ingen

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TMA4105 MATEMATIKK 2 Lørdag 14. aug 2004

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Eksamen, høsten 13 i Matematikk 3 Løsningsforslag

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

Løsning 1med teori, IM3 høst 2011.

Tillegg om flateintegraler

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

Eksamen, høsten 14 i Matematikk 3 Løsningsforslag

MAT mars mars mars 2010 MAT Våren 2010

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT 1110, våren 2006

Løsningsforslag AA6524 Matematikk 3MX Elever 7. juni eksamensoppgaver.org

Løsning 1 med teori, IM3 høst 2012.

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke 4

5 z ds = x 2 +4y 2 4

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

Kapittel 11: Integrasjon i flere variable

Velkommen til Eksamenskurs matematikk 2

Løsning, Trippelintegraler

Løsning til utvalgte oppgaver fra kapittel 14 (12).

UNIVERSITETET I OSLO

Institutt for matematiske fag EKSAMEN i MA-132 Geometri Fredag 7. desember 2007 kl Løsningsforslag. Bokmål

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

EKSAMEN i MATEMATIKK 30

EKSAMENSOPPGAVE. Fys-1002 Elektromagnetisme. Adm.bygget B154 Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling

The full and long title of the presentation

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Eksamensoppgave i MA1103 Flerdimensjonal analyse

Løsningsforslag, eksamen MA1101/MA6101 Grunnkurs i analyse I, vår 2009

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Transkript:

NTNU IET, IME-fakultetet, Norge teknisk-naturitenskapelige uniersitet TFE412 Elektromagnetisme Løsningsforslag repetisjonsøing Oppgae 1 a) i) Her er alternati 1) riktig. His massetettheten er F, il et linjestykke med lengde dl ha masse F dl. Den totale massen er summen a massene til hert linjestykke, altså lik F dl. ii) Her er alternati 4) riktig, F dl. Alternatit kan alternati 1) godkjennes, dersom F er hele tiden parallell med med kuren. b) Dersom F og F er konstanter kan de tas utenfor integraltegnet. Integralet a et ektorielt linjeelement rundt en lukket kure er alltid null. Dette kan forstås ed å tenke på integralet som en sum a små forflytninger dl. ummen a alle disse er den totale forflytningen fra startpunktet, og siden kuren ender opp i samme punkt som den startet er den totale forflytningen, og derfor integralet, lik null. Derfor il alternatiene 2) og 4) ære lik null for den lukkede kuren 1. For den åpne kuren 2 il alle integralene 1)-4) ære forskjellige fra null. dl dl dl dl 1 2 c) Også her er alternatiene 2) og 4) riktige for den lukkede flaten, og begge kan beises ed hjelp a diergensteoremet: s F d = ( F)d. At alternati 4) er lik null er enkelt å beise, i dette tilfellet er F en konstant så integranden F, og dera integralet, er lik null. 1

For å beise 2) antar i at F er en konstant ektor F = F â. Her er F absolutterdien til F mens â er retningen (begge er konstanter). Ved hjelp a diergensteoremet kan i skrie â F d = ( F)d = siden integranden F = (F er en konstant). Det følger dera at integralet 2) F d = når F er en konstant. Integralene 1) og 3) blir hh. F og F. d) For en lukket flate er det alltid to normaler i hert punkt på flaten, en innoerpekende og en utoerpekende. Med mindre annet er spesifisert er det den utoerpekende flatenormalen som benyttes. e) Oerflatenormalen til flaten innenfor en kure er definert a positit definert omdreiningsretning rundt kuren. Her brukes standard høyrehåndsregel: La fingrene peke langs omdreiningsretningen, flaten peker da i tommelens retning. For kuren 1 står flatenormalen ut a arket. Oppgae 2 a) i) Fluksen a et ektorfelt gjennom en flate er definert som Fluks = F d, (1) og beskrier hor mye a F som strømmer gjennom. For eksempel, his F beskrier strømningen a ann, beskrier fluksen den totale annmengden som strømmer gjennom per tidsenhet. ii) Diergensen er definert som di F = lim F d (2) hor olumet er et infinitesimalt lite olum, og er flaten til. Fra definisjonen ser i at diergensen er fluksen ut/inn a olumet delt på olumet. I kartesiske koordinater har diergensen et enkelt uttrykk: di F = F = F x x + F y y + F z z, (3) 2

( hor er definert som = ). x, y, z Diergensen angir kildeegenskapene til F, altså i hor stor grad F sprer seg ekk fra eller imot et punkt. En kilde har positi diergens mens et sluk har negati diergens. MERK : Det er kun i kartesiske koordinater at gradienten og diergensen kan uttrykkes som henholdsis F og F med definert som oenfor. Dette skyldes at kartesiske koordinatsystemer er globalt ortogonale. For eksempel, i kulekoordinater, som bare er lokalt ortogonale 1 er gradienten til F gitt a F = F r ˆr + 1 F r sin θ ϕ ˆϕ + 1 F r θ ˆθ, (4) og det er dermed lett å tro at definisjonen = rˆr + 1 r sin θ følgende diergens F: ϕ ˆϕ + 1 r θ ˆθ leder til F r r + 1 F ϕ r sin θ ϕ + 1 F θ r θ. (5) Dette er ikke et riktig resultat. Den faktiske diergensen kan utledes ed å sette opp en generell koordinattransformasjon mellom kartesiske koordinater og kulekoordinater (i skal ikke gjøre dette), og en finner da di F = 1 r 2 (r 2 F r ) r + 1 F ϕ r sin θ ϕ + 1 r sin θ (sin θf θ ), (6) θ som jo er ulikt det første uttrykket. Det er iktig å ære klar oer dette punket. I øings- og eksamenssammenheng anbefaler i derfor at dere henter uttrykket for gradient, diergens og curl i sylinder- og kulekoordinater fra formelsamlingen. iii) x-komponenten a curlen til F er definert som (curl F) x = lim F dl, (7) der er et flateelement som er normalt på x-aksen og er den lukkede kuren som omslutter dette flateelementet. Tilsarende definisjoner gjelder også for y- og z-komponentene, hor defineres som flateelementer normalt på henholdsis y- og z-aksen. urlen til et ektorfelt beskrier i hilken grad feltet sirkulerer rundt et punkt. Dette står i kontrast til diergensen, som beskrier hor mye feltet strømmer ut fra et punkt. I kartesiske koordinater har curlen et enkelt uttrykk: curl F = F (8) url i sylinder og kulekoordinater har en mer komplisert form og finnes i formelsamlingen. 1 Det er enkelt å forestille seg dette: To personer på jordkloden, en på nordpolen og en på sydpolen, som peker opp mot himmelen peker faktisk i motsatt retning! 3

i) For konseratie felt er kureintegralet F dl lik null for hilken som helst kure. Ved hjelp a tokes teorem kan en ise at F =. Fra fundamentalteoremet (et. Helmholtz teorem) i kalkulus følger det da også at F kan skries ed hjelp a en enkelt skalar størrelse f slik at F = f. b) i) Diergensteoremet sier ( F)d = F d, (9) hor er den lukkede flaten som omslutter olumet. Altså sier diergensteoremet at den totale fluksen ut a olumet er lik summen a alle kilder og sluk inne i olumet. ii) tokes teorem sier ( F) d = F dl, (1) hor er flaten som er omsluttet a kuren. tokes teorem sier at sirkulasjonen rundt kuren, F dl, er lik summen a alle irlinger oer flaten. Et mentalt bilde a tokes teorem kan dannes ed å forestille seg mange malstrømmer (irlinger) på haet (definert a flaten ): Den totale sirkulasjon rundt kysten er da summen a irlingene til alle malstrømmene! Oppgae 3 a) Ved å benytte oss a definisjonen a diergens i kartesiske eller kulekoordinater finner i F = 3. Et infinitesimalt olum i kulekoordinater er d = r 2 sin θdrdθdϕ slik at R 2π π ( F)d = 3r 2 sin θdϕdθdr = 3 R = 4πR 3. r 2 dr π 2π sin θdθ dϕ Her kan man innse ha saret blir uten å regne ut integralet. iden diergensen er konstant lik 3 oer hele olumet, må nødendigis saret bli 3 ganger olumet til kulen, som blir 4πR 3 : ( F)d = 3 d = 4πR 3. (12) b) Oerflate-elementet til et kuleskall med radius R er d = R 2 sin θdθdϕˆr. Dera finner man ( F)d = F d = 2π π = R 3 2π = 4πR 3. 4 (Rˆr) (R 2 sin θdθdϕˆr) π dϕ sin θdθ (11) (13)

aret er åpenbart også her, siden F er konstant oer flaten lik F = Rˆr. Ettersom F og d peker i samme retning må saret bli R ganger oerflaten til kulen, og igjen finner i saret 4πR 3 : F d = R d = 4πR 3. (14) 5

Oppgae 4 a) i) Her il linjeintegralet langs det første linjestykket (, ) (a, ) ære lik null fordi integranden er lik null (y =, samt at ŷ-komponenten a F er ortogonal på linjestykket). Derfor holder det å integrere fra (a, ) til (a, b) slik at I = F dl = b (a 2 y + 2a)dy = 1 2 a2 b 2 + 2ab. (15) ii) Her er det rette linjestykket fra (x, y) til (x + dx, y + dy) beskreet a ektoren dl = dxˆx + dyŷ. Dera finner i F dl = F x dx + F y dy = (xy 2 + 2y)dx + (x 2 y + 2x)dy. (16) For å integrere dette må i ite sammenhengen mellom x og y, som er y = bx a, slik at I = F dl [ a ( ) bx 2 ( ) ] bx b [ (ay ) 2 ( ay ) ] = x + 2 dx + y + 2 dy (17) a a b b = 1 2 a2 b 2 + 2ab. y (a, b) (, ) (a, ) x iii) Disse integralene har like erdier fordi F er et konseratit felt: ( Fy F = x F ) x ẑ y = (2xy 2xy) ẑ =. (18) For et konseratit felt er det bare start- og sluttpunktet på integrasjonen som spiller noen rolle for kureintegralet. Dette er et generelt resultat: Vi kan tenke oss 6

en lukket kure som består a to kurer 1 og 2. Når i reerserer retningen på den ene kuren (slik det er gjort i figuren) finner i F dl = 1 F dl 2 F dl = slik at F dl = 1 F dl. 2 (19) b) Kurene i)-iii) er ist i figuren under 5 c2 4 t=ln 2 3 y 2 c3 1 t= -1 t=-pi/3 t=pi/3 l(t) -1 1 2 3 4 5 x i) Her er lengden til det parametriserte linjestykket dl gitt a dl = dx 2 + dy 2 (dx ) 2 = + dt = 2 2 e 2t dt. ( ) dy 2 dt dt (2) etter i dette inn sammen med funksjonen f[x(t), y(t)] = x(t) + y(t) = 1 + 2e 2t finner i ln 2 fdl = (1 + 2e 2t )2 2 e 2t dt = 2 ( e 4t + e 2t) ln 2 = 18 2. (21) ii) Lengden a linjestykket er dl = dx 2 + dy 2 = 1 + (dy/dx) 2 dx. Med y = 1 2 x2 får i dl = 1 + x 2 dx. Ealuerer i f = 2y x 1 + x 2 langs linjen y = 1 2 x2 får i 7

f = x 1 + x 2 slik at fdl = x(1 + x 2 ). Integrasjon gir f(x, y)dl = 2 x(1 + x 2 )dx ( ) x 2 = 2 + x4 2 4 = 6. (22) iii) Her er lengden a linjestykket gitt a dl = dl dt dt = ( ˆx cos 2 t + ŷ sin t)dt Vi finner derfor at F dl = (1 + 2 sin 2 t)dt og I = F(t) dl(t) = π/3 π/3 (1 + 2 sin 2 t)dt = (2t sin t cos t) π/3 π/3 = 4π 3 3 2. (23) (24) 8