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

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

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

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

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

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

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

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

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

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

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

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

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

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

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

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

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Løsningsforslag til øving 4

Løsningsforslag til øving

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

Løsningsforslag til øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

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

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

Løsningsforslag til øving 5

Onsdag isolator => I=0

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

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

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

Onsdag og fredag

Løsningsforslag til øving 4

Løsningsforslag til øving 3

Løsningsforslag til øving 13

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

Elektrisk potensial/potensiell energi

I C Q R. Øving 11. Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektromagnetisme

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 9. E dl = 0. q i q j 4πε 0 r ij. U = i<j

Løsningsforslag til øving 9

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

Onsdag og fredag

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

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

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 10.

EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME OG FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

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?

Fysikkk. Støvneng Tlf.: 45. Andreas Eksamensdato: Rottmann, boksen 1 12) Dato. Sign

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

og P (P) 60 = V 2 R 60

Tirsdag r r

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

Øving 15. H j B j M j

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

UNIVERSITETET I OSLO

Midtsemesterprøve fredag 11. mars kl

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

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

Onsdag og fredag

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

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

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

FYS1120 Elektromagnetisme

Eksamensoppgave i TFY4104 Fysikk

Onsdag og fredag

Oppsummering om kretser med R, L og C FYS1120

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

Løsningsforslag til øving 8

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 10.

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

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4106 FYSIKK Torsdag 6. august :00 13:00

Øving 11. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

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

Løsningsskisse EKSAMEN i FYSIKK, 30. mai 2006

UNIVERSITETET I OSLO

Mandag dq dt. I = Q t + + x (tverrsnitt av leder) Med n = N/ V ladningsbærere pr volumenhet, med midlere driftshastighet v og ladning q:

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

UNIVERSITETET I TROMSØ. EKSAMENSOPPGAVE i FYS-1002

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi

Midtsemesterprøve torsdag 7. mai 2009 kl

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK EKSAMEN I EMNE TFY4120 FYSIKK. Fredag 3. desember 2004 Tid: kl

TFY4104 Fysikk Eksamen 4. desember Løsningsforslag. 1) m = ρv = ρ 4πr 2 t = π g 24g. C

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 12.

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 1 Elektrisitet og magnetisme

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi EKSAMEN I FYS135 - ELEKTROMAGNETISME

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

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

A. positiv x-retning B. negativ z-retning C. positiv y-retning D. negativ y-retning E. krafta er null

Transkript:

NOGES TEKNISK- NATUVITENSKAPEIGE UNIVESITET INSTITUTT FO FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Jon Andreas Støvneng Telefon: 73 59 36 63 / 45 45 55 33 ØSNINGSFOSAG TI EKSAMEN I FY1003 EEKTISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 006 kl. 0900-1300 Eksamen bestod av 4 oppgaver, i alt 10 deloppgaver som alle telte like mye under bedømmelsen. øsningsforslaget er på 8 sider (inklusive denne). 1

OPPGAVE 1 a) adningstettheten λ(θ) varierer rundt ringen som vist i følgende figur: λ 0 λ(θ) (,0) (,0) (0,) (0, ) 0 π π θ λ 0 (,0) Det er vel opplagt fra figuren at ringen er like mye negativt ladet i venstre halvplan (x < 0) som den er positivt ladet i høyre halvplan, slik at total ladning på ringen må bli Q = 0. Dette får vi selvsagt også ved å bestemme Q eksplisitt: π Q = λ dl = λ(θ) dθ = λ 0 cos θ dθ = 0 Deretter skal vi argumentere for at E(0, 0, z) = E x (z) ˆx, dvs at det elektriske feltet fra ringen på z-aksen peker i negativ x-retning. a oss først se på xz-planet: de + z 0 (θ=π) λ 0 dl de λ 0 dl x (θ=0) Vi ser at summen av bidragene til feltet fra de to ladningselementene på positiv x-akse og dq(0) = λ 0 dl dq(π) = λ 0 dl på negativ x-akse blir en vektor i negativ x-retning. Videre kan vi se på bidraget fra 4 ladningselementer i posisjoner (x, y), (x, y), ( x, y) og ( x, y): y ( x,y) (x,y) x ( x, y) (x, y)

I venstre halvplan er ladningen negativ. Feltbidragene på z-aksen fra elementene i ( x, y) og ( x, y) blir derfor vektorer med retning inn mot ladningselementene. I høyre halvplan er ladningen positiv. Da blir feltbidragene på z-aksen fra elementene i (x, y) og (x, y) vektorer med retning bort fra ladningselementene. I figuren vises bare projeksjonen i xy-planet, som blir like stor for diagonalt motsatte elementer. Med andre ord, z-komponenten av feltet må forsvinne. Videre ser vi at de to elementene i (x, y) og ( x, y) gir y-komponenter som er like store men motsatt rettet de tilsvarende fra elementene i (x, y) og ( x, y). Altså må også y-komponenten forsvinne. Samtlige ladningselementer bidrar med negativ x-komponent, så alt i alt blir feltet på z-aksen rettet langs ˆx. (Under forutsetning av at konstanten λ 0 er positiv. Med negativ λ 0 skifter selvsagt alle feltvektorer retning, slik at det totale feltet peker i positiv x-retning.) b) Avstanden fra z-aksen til alle punktene på ringen er like stor: r = z + Absoluttverdien av bidraget til det elektriske feltet fra en buebit dl = dθ avhenger av vinkelen θ (som opplyst i oppgaveteksten): de(θ) = de = λ(θ) dl 4πε 0 (z + ) = λ 0 cosθ dθ 4πε 0 (z + ) Ettersom cosθ er negativ for π/ < θ < 3π/, har vi satt på absoluttverditegn for å få absoluttverdien av de. I punkt a) overbeviste vi oss om at alle elementer av ringen bidrar med negativ x-komponent til feltet, dvs med samme fortegn. Vi må derfor bare passe på at den størrelsen som til slutt skal integreres opp ikke skifter fortegn når θ går mellom 0 og π. Projeksjonen av de ned i xy-planet (dvs komponenten av de i xy-planet) blir: (de) xy = de cosα = de z + de α z de xy z (z + ) 1/ α r=(x +y ) 1/ Dernest trenger vi projeksjonen av (de) xy ned på x-aksen (som altså blir (den negative) x- komponenten av de): de x = (de) xy cosθ 3

y de x θ de xy θ x Da har vi fått et uttrykk for de x som er en funksjon av vinkelen θ: de x = (de) xy cosθ = de z + cosθ = λ 0 cosθ dθ 4πε 0 (z + ) z + cosθ λ 0 = 4πε 0 (z + ) 3/ cos θ dθ Her kunne vi trygt sløyfe absoluttverditegn fordi cos θ alltid er positiv. Total x-komponent av feltet på z-aksen, og dermed totalt felt på z-aksen blir: E x (z) = = = = λ 0 π de x = cos θ dθ 4πε 0 (z + ) 3/ 0 λ 0 π ( θ 4πε 0 (z + ) 3/ + 1 ) sin θ 4 0 λ 0 4πε 0 (z + ) π 3/ λ 0 4ε 0 (z + ) 3/ c) Hvis z, kan vi sette z + z. Det elektriske feltet blir da tilnærmet lik E x (z) λ 0 4ε 0 z 3 = p 4πε 0 z 3 der vi har satt inn det oppgitte uttrykket for ringens dipolmoment, p = πλ 0. Feltet faller altså av som en over avstanden opphøyd i tredje (n = 3), et resultat som vi har vært borte i både på regneøving og på forelesning. Hadde ringen hatt en netto ladning forskjellig fra null, måtte vi i stor avstand ha fått et felt proporsjonalt med 1/z, ettersom det da essensielt hadde sett ut som en punktladning. Feltet fra en dipol, med null netto ladning, må opplagt falle av raskere enn feltet fra en punktladning, ettersom vektorbidraget fra den negative og den 4

positive halvdelen av dipolen delvis kansellerer hverandre: Den negative halvdelen bidrar med et felt rettet inn mot ringen, den positive halvdelen bidrar med et felt rettet bort fra ringen. Dermed, og uten detaljert kjennskap til E x (z), må en kunne konkludere med at n >. En annen sak er at ren dimensjonsanalyse av det oppgitte uttrykket for E x (z) gir direkte hva n må være: Elektrisk dipolmoment p har, fra sin definisjon, enheten Cm (ladning lengde). Elektrisk felt skal være på formen ladning/ε 0 lengde. Følgelig må n = 3. OPPGAVE a) I en tynn ring med radius r og tykkelse dr går det en strøm di = dq/t, der T = π/ω er tiden skiva bruker på en omdreining (dvs perioden) og dq = σ(r) πr dr er ladningen på den tynne ringen. En slik tynn ring omslutter et areal πr, slik at dens magnetiske dipolmoment er dm = di πr = σ(r) πr dr ω π πr = σ 0 ωb πrdr Skivas totale magnetiske dipolmoment finner vi ved å integrere dette, fra r = a til r = b: m = dm = b a σ 0 ωb πrdr = 1 σ 0ωb π(b a ) b) Vi kan bruke det oppgitte uttrykket til å skrive ned magnetfeltet db fra en tynn ring med radius r, tykkelse dr og strøm di = dq/t = σ(r) πr dr ω/π: db = µ 0 dir (z + r ) 3/ Innsetting for di og integrasjon over skiva gir Dette er et enkelt integral, og vi får b a B(z) = µ 0ωσ 0 b b a rdr (z + r ) 3/ rdr (z + r ) = ( ) z + a 1/ ( z + b ) 1/ 3/ Altså B(z) = µ 0ωσ 0 b [ (z + a ) 1/ ( z + b ) 1/ ] OPPGAVE 3 a) Magnetisk fluks gjennom ringen: φ(t) = B A = B πr cosωt 5

Figuren i oppgaveteksten viser at ringens flatenormal, og dermed A, er parallell med B ved tidspunktet t = 0. Valget cosωt er konsistent med dette. Indusert spenning i ringen blir dermed, i følge Faradays induksjonslov: Spenningsamplituden er altså Ohms lov gir V (t) = dφ dt = ωbπr sin ωt V 0 = ωbπr I(t) = V (t) = ωbπr sin ωt b) En leder med konduktivitet σ, lengde l og tverrsnitt S har resistans = l σs (Utledes eventuelt fra sammenhengen j = σe mellom strømtetthet og elektrisk felt, som gir I = j A = σea = σ(v/l)a = V/) Her er lengden lik ringens omkrets, l = πr, og tverrsnittet er S = πa, slik at = πr σ πa = r σa Kirchhoffs spenningsregel for kretsen med og i serie gir dvs Vi ser da at V di dt I = 0 di dt + I = V = V 0 sin ωt og ω 0 = α 0 = V 0 = ωbπr Kommentar: egg merke til at det her er snakk om både gjensidig induksjon og selvinduksjon: Det uniforme magnetfeltet B er skapt av elektrisk strøm i en annen krets. I praksis kunne ringen for eksempel ha befunnet seg i rommet mellom nordpolen av en spole og sørpolen av en annen spole. På grunn av at ringen roterer, blir den magnetiske fluksen fra disse spolene ( krets 1 ) gjennom ringen ( krets ) tidsavhengig, og det induseres en elektromotorisk spenning i ringen altså gjensidig induksjon. Denne effekten er representert ved spenningskilden V (t) i kretsen i oppgaven. Spenningskilden V (t) fører til en tidsavhengig strøm I(t) i ringen. Denne strømmen vil dermed også resultere i en tidsavhengig magnetisk fluks gjennom ringen, slik at det induseres en motspenning i ringen altså selvinduksjon. Denne effekten er representert ved selvinduktansen 6

i kretsen, og ved leddet di/dt i ligningen som vi fikk ved å bruke Kirchhoffs spenningsregel. Den videre analyse av slike vekselstrømkretser (dvs: å løse resulterende differensialligninger og bestemme resulterende strømmer) vil være tema i senere kurs, eksempelvis FY1013 Elektrisitet og magnetisme II og TFY4185 Måleteknikk. OPPGAVE 4 a) Parallellkobling av n like store motstander gir tilsammen en motstand /n. Total motstand i kretsen er derfor + + 3 = 11 6 slik at strømmen blir I = 6V 0 11 ved bruk av Ohms lov. Med oppgitte tallverdier: I 55 ma. Effekt, dvs energi pr tidsenhet, levert av spenningskilden: P = V 0 I = 6V 0 11 0.55 W Energi levert av spenningskilden i løpet av 10 s: U = Pt 5.5 J b) Tilkobling av spenningskilden ved t = 0 gir konstant strøm I 1 = V 0 gjennom motstanden til venstre. Tilkobling av spenningskilden ved t = 0 til seriekoblingen av C og har vi tatt i detalj på forelesning. Kondensatoren lades opp slik: Q(t) = V 0 C ( 1 e t/c) slik at strømmen i denne grenen av kretsen blir I (t) = dq dt = V 0 e t/c Dermed blir total strøm levert av spenningskilden Effekt levert av spenningskilden: I(t) = I 1 + I (t) = V 0 P(t) = V 0 I(t) = V 0 7 ( 1 + e t/c ) ( 1 + e t/c )

Energi levert av spenningskilden mellom t = 0 og t = T: U = Med oppgitte tallverdier (T = 10 s): T 0 = V 0 T 0 = V 0 P(t)dt ( t Ce t/c ) ( T Ce T/C + C ) U 11 J c) Strøm gjennom motstanden: I 1 = V 0 Strøm gjennom induktansen bestemmes av som gir V 0 = di dt I (t) = V 0t ettersom det ikke gikk noen strøm før t = 0. Total strøm: Effekt levert av spenningskilden: I(t) = I 1 + I (t) = V 0 + V 0t 0 t P(t) = V 0 I(t) = V 0 + V Energi levert av spenningskilden mellom t = 0 og t = T: Med oppgitte tallverdier (T = 10 s): U = T 0 = V 0 T P(t)dt 0 T + V U 50 kj 8