Svar: Vi bruker Ampères lov for å finne magnetfeltet en avstand r fra lynet.

Like dokumenter
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

EKSAMEN I FAG SIF 4014 FYSIKK 3 Onsdag 2. desember 1998 kl

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

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

Kap 10 Dynamikk av rotasjons-bevegelse

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TMA4105 MATEMATIKK 2 Lørdag 14. aug 2004

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

Tillegg om flateintegraler

UNIVERSITETET I OSLO

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Fysikk 2 Eksamen våren Løsningsforslag

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

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

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi. Torsdag Kalkulator: Type C Alt skriftlig materiale

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

Fysikkolympiaden Norsk finale 2013

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

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

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

Bevegelse med friksjon nedover en kuleoverflate

FAG: FYS114 Fysikk/Kjemi LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad Kjemi : Grethe Lehrmann

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT 1110, våren 2006

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

FYS1120 Elektromagnetisme

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

Løsningsforslag til øving

Obligatorisk oppgåve 1

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

ØVING 12. Vinkelfunksjonar, radialfunksjonar og orbitalar for hydrogenliknande. Y lm ; l =0, 1, ; m = l,,l.

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

The full and long title of the presentation

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

2 n+2 er konvergent eller divergent. Observer først at; 2n+2 2 n+2 = n=1. n=1. 2 n > for alle n N. Denne summen er.

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?

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Eksamen i TMA4135 Matematikk 4D

FAG: FYS105 Fysikk LÆRER: Per Henrik Hogstad KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG

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

FYS1120 Elektromagnetisme, vekesoppgåvesett 9 Løsningsforslag

Løsningsforslag AA6524/AA6526 Matematikk 3MX Elever/Privatister - 7. desember eksamensoppgaver.org

Vi regner først ut de nødvendige partiellderiverte for å se om vektorfeltet er konservativt. z = 2z, F 2 F 2 z = 2y, F 3. x = 2x, F 3.

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

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

Kurve-, flate- og volumintegraler, beregning av trykkraft

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

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

@x

Integralsatser: Green, Stokes og Gauss

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

Prøveeksamen i MAT 1100, H-03 Løsningsforslag

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

EKSAMEN i MATEMATIKK 30

Eksamen i TMA4135 Matematikk 4D

FAG: FYS116 Fysikk/Kjemi LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad Kjemi : Grethe Lehrmann

UNIVERSITETET I OSLO

Løsning, Stokes setning

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

Høst 96 Ordinær eksamen

LØSNINGSFORSLAG TMA4105 Matematikk 2 8. August 2005

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.

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

Onsdag og fredag

Løsningsforslag til Øving 6 Høst 2016

TMA4105 Matematikk2 Vår 2008

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Tirsdag r r

TALM 1004 Matematikk 2-Eksamen mandag 4.mai 2015 LØSNING. 5 klokketimer TALM1004-A. Matematikk 2. Kåre Bjørvik. Kalkulator: Type C

UNIVERSITETET I OSLO

Felttur 2016 Elektromagnetisme

1 Lavpassfilter Lavpassfilteret påtrykkes en inngangsspenning på 1 V ved t = 0. Spenningen over spolen er vist i figuren under.

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

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

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM

TFE4120 Elektromagnetisme

(s + 1) 4 + 2(s + 1)

TFY4106 Eksamen 9 aug Løsningsforslag

TFY4115: Løsningsforslag til oppgaver gitt

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

LØSNING. Eksamensoppgave i TALM1004 Matematikk 2. Institutt for allmennfag. Faglig kontakt under eksamen: Kåre Bjørvik Tlf.

Løsningsforslag til hjemmeøving nr.6 Fag SO122E Kraftelektronikk

8 Vektorer og kurver. Løsning til KONTROLLOPPGAVER OPPGAVE 1. t t ) Vi finner skjæringspunktet med y-aksen ved å sette x = 0.

SIF 5005 Matematikk 2 våren 2001

EKSAMEN I FAG SIF5005 MATEMATIKK 2

Plan. I dag. Neste uke

Løsningsforslag eksamen TMA4105 matematikk 2, 25. mai 2005

Magnetisme som relativistisk fenomen

(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).

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Løsningsforslag til øving 13

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikk-OL Norsk finale 2006

Høgskolen i Oslo og Akershus. 1 (x 2 + 1) 1/2 + x 1 2 (x2 + 1) 1/2 (x 2 + 1) = x 2x 2 x = = 3 ln x sin x

Kap 01 Enheter, fysiske størrelser og vektorer

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

NTNU. MA1103 Flerdimensjonal Analyse våren Maple-øving 2. Viktig informasjon. Institutt for matematiske fag. maple02 28.

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 4. m 1 gl = 1 2 m 1v 2 1. = v 1 = 2gL

Løsningsforslag til øving 9

Transkript:

I FYS1120-undervininga legg vi meir vekt på matematikk og numerike metoder enn det oppgåvene i læreboka gjer. Det gjeld òg oppgåvene om vert gitt til ekamen. Difor er det viktig at du gjer vekeoppgåvene om vi gir. Vi du yn det er vankeleg å komme i gong med dei, eller vi du ikkje yn det er nok oppgåver, å kan du godt gjere dei følgjande oppgåvene frå boka i tillegg. Frå kapittelet Magnetic Field and Magnetic Force (oppgåver på. 259 og utover): Exercie 28, 40 Frå kapittelet Source of Magnetic Field (oppgåver på. 259 og utover): Exercie 15, 42 Oppgåve 1 Magnetfeltet frå eit lyn Lynnedlag ber med eg traum av torleik 100 ka. Vi kal no modellere eit lynnedlag om ein veldig lang, rett traumleiar. a) Kor tort er magnetfeltet fem meter frå banen til lynet? Svar: Vi bruker Ampère lov for å finne magnetfeltet en avtand r fra lynet. Bdl = µ 0 I. Og iden lynet modellere her om en rett leder vil magnetefeltet hele tiden peke tangentielt - kontnant tørrele - til konentrike irkler om lynet, etter høyrehåndregelen. Da er Bdl = Brdθ, og vi får µ 0 I = Bdl = B2πr B = µ 0I 2πr. Setter vi inn for verdiene i oppgaven finner vi at magnetik felttyrke 5 m fra lynet er B(r = 5m) = 4π 10 7 100 10 3 T 2π 5 = 0.4mT. b) Samanlikn varet i a) med magnetfeltet om fint fem centimeter frå ein ledning om tranporterar ein vanleg huhaldningtraum på 10 A.

Svar: For en trøm på 10 A finner vi verdien B(r = 5m) = 4π 10 7 10 T = 0.4µT. 2π 5 Figur 1: Prinippet bak en elektromagnetik rail gun. Oppgåve 2 Ein elektromagnetik rail gun Ein tav om leiar traum har mae m og lengde L liggar på to horiontale kinner. Staven kan gli frikjonlaut på die. Dei horiontale kinna er kobla til ein penningkilde. Spenningkilden kan levere ein kontant traum I gjennom taven og kinnane. I regionen om killer kinnane fint det eit kontant magnetfelt B. Vi kan jå ituajonen i figur 1. Her er retningen til traumen indikert av de varte pilane og det kontante magnetfeltet peikar rett ut av oppgåvearket. a) Finn torleik og retning på krafta om virker på den traumførande taven på grunn av magnetfeltet. Se bort i fra luftmottand, frikjon og elektrik mottand. Svar: Vi at den ledende taven glir lang x aken. Da er kraften på denne gitt ved F B = IL B = ILBi, der L = Lj. b) Krafta om virker på taven på grunn av magnetfeltet får taven til å flytta på eg. Finn farta v etter at taven har blitt flytta ein avtand d. Uttrykk varet ved m, I, L og B, og anta at taven ikkje hadde noen hatigheit til å tarte med. Svar: Vi fant i a) at kraften på taven fra megnetfeltet var kontant. Dermed er hatigheten gitt fra Newton 2. lov F ext = m dv dt = F B.

Vi finner da hatigheten ved å integrere F B fra 0 til t (og dele på m) v(t) v(0) = F B m t. Siden vi kun har bevegele i én dimenjon, i poitiv retning lang x- aken, og tartfarten er null får vi v(t) = ILB m t. Ved å integrere v(t) en gang til finner vi avtanden taven har forflyttet eg d(t) x(t) x(0) d(t) = 1 ILB 2 m t2. Vi triker litt for å finne avtanden uttrykt ved farten, vi bemerker o at ( ) ILB 2 v 2 = t 2, m og etter inn for t 2 = v 2 ( ) m 2 ILB d = mv2 2ILB. En alternativ måte å løe oppgaven på er å bruke formelen 2ad = v 2 v 2 0, om gjelder for kontant akelerajon a, og v 0 er tartfarten. Oppgåve 3 Gau lov for magnetime Eit magnetfelt har ein z-komponent om kun avhengar av B z, og ein komponent om peikar radielt ut i frå z-aken, B r. a) Skriv magnetfeltet B om eit vektorfelt i ylinderkoordinatar, uttrykt ved B z og B r. Svar: Siden vi kal jobbe i ylinderkoordinater lar vi φ være vinkelen mot x-aken. I ploarkoordianter har vi høyrehåndytemet defeniert ut i fra enhetvektorene (e r, e φ, e z ). Die kan uttrykke ved de karteike enhetvektorene i, jog k ved e r = co φi + in φj e φ = in φi co φj e z = k.

Her har feltet en radiell komponent og en z-komponent da kan vi uttrykke feltet om i ylinderkoordinater. B = B r e r + B z e z Magnetfeltet in z-kopmonent er gitt ved B z = B z (z) = βz, der β > 0 er ein kontant. Men B r = B r (r) avhengar kun av radiell avtand fra z-aken, r = x 2 + y 2. b) Bruk Gau lov for magnetfelt til å finne den radielle komponenten B r (r). Det kan være lurt å velge en Gauflate om er eit ylinderkall med enterake lang z-aken, radiu r og med topp- og bunnflate i z og z 0. Svar: Gau lov for magnetefelter ier at magnetik fluk ut av enhver lukket flate er lik null B da = 0. Vi legger en Gauflate om bekrevet i oppgavetekten. Vi må velge en normalvektor om peker ut av overflaten. Total fluk ut av flaten er ummen av fluken ut av hver av ideflatene. Vi får da 0 = B da = B e z da + B ( e z )da + B e r da topp bunn ide = B z (z) da B z (z 0 ) da +B r (r) da topp Siden total fluk er null må da } {{ } =πr 2 bunn } {{ } =πr 2 = βπr 2 (z z 0 ) + B ( r)2πr(z z 0 ). B r (r) = 1 2 βr. ide }{{} =2πr(z z 0 ) Oppgåve 4 Ampère lov Vi betraktar ein uendeleg lang rett traumleiar om fører ein traum I. Bruk Ampère lov til å vie at det magnetike feltet i ei avtand r frå leiaren har torleiken B = µ 0I 2πr (1)

Speifiér kva retning magnetfeltet peiker det vil eie, finn vektorforma B til feltet. Hint: Det kan vere lurt å rekne i ylinderkoordinatar. Svar: Her kommer en mer utfyllende måte å vie dette på enn hva vi gjorde i tarten av oppgave 1. La lederen ligge lang z aken, og trømmen gå i retning av poitivt økende z. Vi vet at magnetfeltet vil ha kontant tyrke på en irkulær omkret om lederen, og peke tangentielt til denne. Dette vil være å i at B = Be φ. Vi velger o en lukket kurve om er en irkel i et plan om er vinkelrett på z-aken (lik xy-planet). Vinkelen φ er vinkel mot x-aken i ylinderkoordinater. Ampère lov ier om kurveintegralet B dl = µ 0 I. For ventre iden har vi for vår kurve at dl = e φ rdφ, og fra det vi vet om magnetfeltet vil B dl = Brdφ, og iden tyrken til magnetfeltet er kontant får vi at Da følger det at 2π B rdφ = B2πr = µ 0 I. 0 B = µ 0I 2πr e φ.

Figur 2: Eit traumførande linjetykke. Oppgåve 5 Biot-Savart lov Figur 2 vier eit linjeegment med lengde 2L om fører ein traum I. Bruk Biot-Savart lov til å finne feltet i punktet P = (0, ). Vi at du får tilbake det vanlege uttrykket frå ligning (1) når lengda L går mot uendeleg. Kvifor kan du ikkje bruke Ampère lov i dette tilfellet med ein endeleg lengde på traumleiaren? Svar: Biot-Savart lov ier at B = µ 0 4π 1 (Idl r) r3 I vår oopgave har kal vi finne magnetfeltet til punktet P om har koordiantene (0, ). Vi kal altå da bruke at r = xi + j, og r = x 2 + 2 om er vektoren om peker fra et punkt x på lederen til P. dl kal peke lang lederen i retning av trømmen, å vi har for denne Da finner vi at dl = dxi. dl r = dxk. Siden trømmen er kontant går denne utenfor integralet, da gir Biot-Savart lov B = k µ 0I 4π L (x 2 + 2 ) 3/2. Så vi må deverre regne ut integralet L (x 2 + 2 ) 3/2.

Men vi har elvfølgelig et trik for dette. Når vi har integraler av denne typen kan det ofte være lurt å gjøre et variabelkifte lik at vi integrerer over en vinkel, og ikke over x. Velg deg et punkt x lang lederen, tegn vektoren r til punktet P. Definér vinkelen θ om vinkelen r utgjør mot y-aken i punket P. Med dette har vi at tan θ = x. Da har vi variablekiftet vårt, og vi finner 1 co 2 dθ = dx θ x 2 + 2 = 2 (tan 2 θ + 1) = 2 co 2 θ. De nye grenene blir arctan(/) < θ < arctan(l/r), om vi døper til θ ±L arctan(±l/). Så løer vi integralet L θl (x 2 + 2 ) 3/2 = = θ ( 2 / co 2 θ) 3/2 co 2 θ dθ. θl 1 co θdθ θ = 1 in θ θ L θ. Ved å betrakte en av vinklene θ ±L finner vi at in θ ±L = ± vi til lutt at Magnetfeltet blir da L Vi går til grenen L og finner 2L/ (x 2 + 2 = ) 3/2 2 + L. 2 B = k µ 0I L 2π 2 + L. 2 B = µ 0I 1 2π 1 + 2 L 2 = µ ( 0I 1 1 2 ) 2π 2 L 2 +... µ 0I, når L. 2π L 2 +L 2. Da får Og vi er at ved å bare bruke Ampère lov ikke tar med effekten av at lederen har en endelig lengde. Ved å bruke Bio-Savart lov direkte tar vi med denne randeffekten.