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

Like dokumenter
Punktladningen Q ligger i punktet (3, 0) [mm] og punktladningen Q ligger i punktet ( 3, 0) [mm].

b) Vi legger en uendelig lang, rett stav langs y-aksen. Staven har linjeladningen λ = [C/m].

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

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

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

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl K. Rottmann: Matematisk formelsamling (eller tilsvarende).

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

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

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

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

EKSAMEN I FAG SIF 4012 ELEKTROMAGNETISME (SIF 4012 FYSIKK 2) Onsdag 11. desember kl Bokmål

Fjæra i a) kobles sammen med massen m = 100 [kg] og et dempeledd med dempningskoeffisient b til en harmonisk oscillator.

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

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: Kalkulator med tomt dataminne, Rottmann: Matematisk formelsamling.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 8. juni 2007 kl

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Mandag 7. mai. Elektromagnetisk induksjon (fortsatt) [FGT ; YF ; TM ; AF ; LHL 24.1; DJG 7.

UNIVERSITETET I OSLO

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

OPPGAVESETT 1. PS: Spørsmål 1a) og 1b) har ingenting med hverandre å gjøre. 1b) refererer til to nøytrale kuler, ikke kulene i 1a)

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Onsdag og fredag

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Tirsdag 27. mai 2008 kl

EKSAMENSOPPGAVE. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

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

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi LØSNING TIL PRØVE 2 I FYS135 - ELEKTRO- MAGNETISME, 2004.

Øving 15. H j B j M j

UNIVERSITETET I OSLO

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s og kap. 16, s.

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

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s kap. 16, s

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 8. juni 2007 kl

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Utsatt eksamen i Matematikk 1000 MAFE ELFE KJFE 1000 Dato: 2. mars 2017 Løsningsforslag.

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, Aud.max. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

Elektriske kretser. Innledning

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

Løsningsforslag til øving 4

Løsningsforslag til ukeoppgave 10

og P (P) 60 = V 2 R 60

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: FYS Elektromagnetisme Fredag 31. august 2012 Kl 09:00 13:00 adm. Bygget, rom B154

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 11. Veiledning: november.

FYS1120 Elektromagnetisme

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. ving 11.

Løsningsforslag til øving 5

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C = 1volt

Midtsemesterprøve fredag 11. mars kl

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

UNIVERSITETET I TROMSØ. EKSAMENSOPPGAVE i FYS-1002

Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

Midtsemesterprøve torsdag 7. mai 2009 kl

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C. 1volt

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

Onsdag isolator => I=0

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke12

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: Kalkulator med tomt dataminne Rottmann: Matematisk Formelsamling A.T. Surenovna: Norsk russisk ordbok

Elektrisk potensial/potensiell energi

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I FAG SIF 4012 ELEKTROMAGNETISME (SIF 4012 FYSIKK 2) Mandag 29. juli kl

EKSAMEN I EMNE TFY4120 FYSIKK. Fredag 3. desember 2004 Tid: kl

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

Tirsdag r r

EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

UNIVERSITETET I OSLO

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

UNIVERSITETET I OSLO

Onsdag og fredag

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK. Lørdag 5. juni Tid. Kl LØSNINGSFORSLAG

En del utregninger/betraktninger fra lab 8:

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag til EKSAMEN

LABORATORIERAPPORT. RL- og RC-kretser. Kristian Garberg Skjerve

Løsningsforslag til øving

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

UNIVERSITETET I OSLO

1. En tynn stav med lengde L har uniform ladning λ per lengdeenhet. Hvor mye ladning dq er det på en liten lengde dx av staven?

Løsningsskisse EKSAMEN i FYSIKK, 30. mai 2006

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK. Fredag 25. mai Tid. Kl LØSNINGSFORSLAG

TFE4101 Vår Løsningsforslag Øving 3. 1 Teorispørsmål. (20 poeng)

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIF4005 FYSIKK For kjemi og materialteknologi Mandag 6. august 2001 kl. kl

Eksamensoppgave i TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

Kretsanalyse basert på elektromagnetisme

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

Transkript:

Oppgave 1 Bestem løsningen av differensialligningen Oppgave 2 dy dx + y = e x, y(1) = 1 e Du skal beregne en kulekondensator som består av 2 kuleskall av metall med samme sentrum. Det indre skallet har radius, det ytre har radius 2. Ladningen på det indre skallet er Q med motsatt ladning på det ytre skallet. a) Bruk en passende Gaussflate og bestem feltstyrken E i rommet mellom de 2 kuleskallene. b) Bruk feltstyrken fra a) og bestem potensialforskjellen mellom de 2 kuleskallene. Vis at kondensatorens kapasitans blir C = 8 π ǫ 0 når det er luft mellom sylindrene. c) Mellom sylindrene brukes et materiale med dielektrisitetskonstant ǫ r = 3.0. Bestem radien for å få en kondensator med C = 10 [pf]. Oppgave 3 a) En lang, rett spole har lengde 10 [cm], radius r = 1.0 [cm] og N = 500 vindinger. Ta utgangspunkt i definisjonsligningen for induktans L = N Φ I og vis at denne spolen har induktans L 1 [mh]. Her er Φ magnetisk fluks gjennom 1 vinding. b) Spolen er en del av en L-krets med motstand = 157 [Ω]. Spolen plasseres i et magnetfelt B = 0.10 sin (100 t), dette magnetfeltet er rettet parallelt med spoleaksen. Bestem strømmen I (t) i kretsen og effekten P(t) avgitt til motstanden. Eksamensoppgaven fortsetter. 1

Oppgave 4 Vi har en krets med en åpen bryter, en motstand, en kondensator C og en spole L koblet i serie. a) Kondensatoren har en ladning Q 0 idet en slår inn bryteren ved t = 0. I) Lag en figur med seriekoblingen, velg en positiv strømretning og sett opp en ligning med potensialforskjellene rundt kretsen. II) Sett opp differensialligningen for strømmen I gjennom kretsen. Bestem den generelle løsningen I(t) når de 3 komponentene oppfyller betingelsen 2 = 4 L/C III) Bruk startbetingelsene I(t = 0) = 0 og di(t = 0) = Q 0 dt L C løsningen for strømmen. og finn den spesielle b) Motstanden er = 1.0 [kω], spolens induktans er L = 10 [mh] og vi har Q 0 = 0.55 [µc]. Bestem den største strømmen i kretsen. Innfør en tidskonstant τ = 2 L og vis at den har dimensjon [sekund]. Uttrykk tiden t maks ved maksimal strøm ved hjelp av τ ( bestem a): t maks = a τ c) Beregn potensialforskjellene V, V L og V C over de 3 komponentene og vis at V + V L + V C = 0 for alle tidspunkt t. ( Hint: Løsningen av den generelle 2.gradsligningen a x 2 + b x + c = 0 er ) x = b ± b 2 4 a c 2 a Delspørsmål a), b),.. og udelte oppgaver har samme vekt ved beregning av sluttkarakteren. Slutt på eksamensoppgaven. 2

Løsningsforslag Oppgave 1 b) Denne ligningen er ikke separabel: Bruker metoden med integrerende faktor: Denne faktoren multipliseres inn i ligningen dy dx + y = e x ρ = e 1 dx = e x e x (y + y) = e x e x = 1 som deretter integreres. For venstre side kjenner vi svaret, høyre side er et enkelt integral: e x y = dx = x + C Dermed finner vi y: y = e x (x + C) Du bør sjekke dette svaret ved å sette det inn i den opprinnelige ligningen. Bestemmer C ved hjelp av startbetingelsen: y(1) = 1 e = e 1 (1 + C) C + 1 = 1 = C = 0 Den spesielle løsningen blir y = x e x Oppgave 2 a) Bruker en Gaussflate i form av en kule med radius r, < r < 2. Kulesymmetrien fører til at feltstyrken E står radielt ut fra det indre kuleskallet, dessuten har E samme tallverdi over hele Gaussflaten. Siden E hele tiden er parallelt med flatenormalen blir fluksen gjennom Gaussflaten: Φ = E A cos 0 = E 4 π r 2 Ladningen inne i Gaussflaten er Q: Φ = Q ǫ 0 = E = Q 1 4 π ǫ 0 r = K Q 2 r 2 3

b) Finner potensialforskjellen mellom de 2 kuleskallene ved å integrere E radielt ut fra det indre kuleskallet ( E og dr er parallelle): 2 V = V 2 V = E dr = K Q V = K Q [ 1 r ] 2 = K Q 2 dr r 2 ( 1 2 1 ) = K Q 2 Vi trenger tallverdien til potensialforskjellen for å bestemme kapasitansen. Bruker definisjonen på kapasitans: C = Q V = Q K Q 2 = 8 π ǫ 0 qed c) Med et dielektrikum blir kapasitansen Ordner og setter inn tallverdier: Oppgave 3 a) Magnetfeltet i en lang, rett spole er C = 8 π ǫ 0 ǫ r = 2 ǫ r K = C K = 10 10 12 9.0 10 9 2 ǫ r 2 3.0 = 15 [mm] Fluksen gjennom en vinding er B = µ 0 n I, n = N l B = µ 0 N I l Dermed får vi induktansen Med tallverdier Φ = B A = B π r 2 Φ = µ 0 N l I π r 2 = µ 0 N π r2 l L = N Φ I = µ 0 N 2 π r2 l I L = 4 π 10 7 500 2 π 0.012 0.1 = π 2 10 4 1 [mh] b) Vi har fluksen for denne spolen fra a): Φ sp = N B π r 2 = N π r 2 0.1 sin (100 t) Φ sp = 500 π 0.01 2 0.1 sin (100 t) = 5.0 10 3 π sin (100 t) 4

Indusert spenning i kretsen er ε = dφ sp dt = 0.50 π cos (100 t) [V ] Dermed er det enkelt å bestemme uttrykkene for strømmen og effekten: I (t) = ε = 0.50 π cos (100 t) 0.01 cos (100 t) [A] 157 P (t) = ε I = 0.5 π 0.01 cos 2 (100 t) 16 cos 2 (100 t) [mw] Her klarer kanskje du å bestemme gjennomsnittseffekten P? Oppgave 4 a) I) Summen av potensialforskjellene er alltid lik 0 rundt kretsen: V + V C + V L = 0 Velger positiv strømretning ut fra kondensatorens positive plate, vi har Q C I L di dt = 0 II) Når strømmen øker avtar ladningen på kondensatoren, dermed har vi I = dq/dt. Deriverer svaret i a) og innfører strøm i stedet for ladning: 1 C dq dt di dt L d2 I dt = 0 = I 2 C I L I = 0 I + L I + 1 L C I = 0 Vi har en homogen 2.ordens diff.ligning med konstante koeffisienter, bruker metoden med den karakteristiske ligningen: r 2 + L r + 1 L C = 0 = r 1,2 = L ± ( ) 2 4 1 L C 2 Bruker den oppgitte sammenhengen mellom komponentenes størrelser: r 1,2 = ± 4 L/C 1 4 L L 2 L C = 2 2 L Sammenfallende røtter gir den generelle løsningen: I(t) = e /(2 L) t (A + B t) L 5

III) Bruker startbetingelsene, må derivere løsningen i II). Ser på kondensatorladningen ved t = 0: Den spesielle løsningen blir I (0) = 0 = e /(2 L) 0 (A + B 0) = A = A = 0 ( ) I = e /(2 L) t B t + B e /(2 L) t 2 L I (t = 0) = Q 0 L C = B I(t) = Q 0 L C t e /(2 L) t = Q 0 2 4 L 2 t e /(2 L) t b) Deriverer I(t) og setter den deriverte lik 0 (se også figur 1): di dt = Q ( ) 0 L C e /(2 L) t 2 L t + 1 = 0 Dimensjoner: Maksimal strømverdi er t maks = 2 L = 1 τ = 1 50000 = 2.0 10 5 [s] = 0.02 [ms] L = [ ] H = Ω [ ] kg m2 s 3 A 2 = [s] qed s 2 A 2 kg m 2 I maks = Q 0 2 4 L 2 2 L e /(2 L) (2 L)/ = Q 0 2 L e 1 I maks = 0.55 10 6 1000 2 0.01 1 e 10 [ma] c) Bruker potensialforskjellene slik de er angitt i a) og den deriverte beregnet i b): V = I = Q0 2 t e /(2 L) t = Q 0 3 t e /(2 L) t 4 L 2 4 L 2 V 1.375 10 6 t e 50000 t V L = L di dt = L Q0 2 V L = Q 0 2 4 L ( ) e /(2 L) t 4 L 2 2 L t + 1 ) e /(2 L) t ( 0.688 10 6 t 13.75 ) e 50000 t ( 2 L t + 1 6

For kondensatoren må vi integrere strømmen: I = dq/dt = Q = I dt Q = Q 0 2 t e /(2 L) t dt 4 L 2 Bruker formelsamlingen etter å ha innført en ny varibel: u = 2 L t = du = dt 2 L Q = Q ( ) 0 2 L 2 L u e u Q = Q 0 (u 1) e u du = Q 0 u e u du Innfører t igjen: Q = Q 0 ( ) 2 L t + 1 V C = Q C = Q 2 4 L = Q 0 2 4 L e /(2 L) t V C ( 13.75 + 0.688 10 6 t ) e 50000 t ( ) 2 L t + 1 e /(2 L) t Summerer alle spenningene, eksponentialfunksjonen og Q 0 2 / (4 L) er felles faktorer: ( Q 0 2 V = 4 L e /(2 L) t ( ) ( )) L t + 2 L t 1 + 2 L t + 1 Ser på innholdet i parentesen, ledd med og uten tiden t : ( L + 2 L + ) t 1 + 1 = 0 t + 0 = 0 2 L Siden innholdet i parentesen er 0, er summen av spenningene over komponentene 0 for alle t: V = Q 0 2 4 L e /(2 L) t 0 = 0 qed Det er kanskje enklere å sette inn tallverdier for hver spenning med en gang, her ser du at løsningen for strømmen ser ut til å være riktig også når en går veien om komponentspenningene. Spenningsforløpet over de 3 komponentene er vist i figur 1. Idet strømmen når maksimum ved t = τ er spolespenningen 0 volt (U L di/dt = 0). 7

The capacitor discharges. (UC:red, U:black, UL: blue) U [V] 10 5 0 5 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 t [ms] 10 Figur 1: U-t-diagram ved kritisk demping. 8