UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

UNIVERSITETET I OSLO

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).

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

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

Fysikk-OL Norsk finale 2006

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

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

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

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

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

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?

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

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

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

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

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

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 29. mai 2017

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

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

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

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1002

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

3. Hvilken av Maxwells ligninger beskriver hvordan en leder som fører en jevn strøm genererer et magnetisk felt?

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 10 Elektrisitet og magnetisme

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

Elektrisk potensial/potensiell energi

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

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

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

Onsdag og fredag

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikkolympiaden Norsk finale 2017

FYS1120 Elektromagnetisme, vekesoppgåvesett 9 Løsningsforslag

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Midtsemesterprøve torsdag 7. mai 2009 kl

UNIVERSITETET I OSLO

Tirsdag r r

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

FAG: Fysikk FYS121 LÆRER: Fysikk : Per Henrik Hogstad (fellesdel) Kjetil Hals (linjedel)

Onsdag og fredag

EKSAMENSOPPGAVE. 7 (6 sider med oppgaver + 1 side med formler)

To sider med formler blir delt ut i eksamenslokalet. Denne formelsamlingen finnes også på første side i oppgavesettet.

UNIVERSITETET I OSLO

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

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

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Midtsemesterprøve fredag 11. mars kl

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

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME OG FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

Overflateladningstetthet på metalloverflate

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til ukeoppgave 10

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Fysikkolympiaden Norsk finale 2018 Løsningsforslag

Avdelingfor ingeniørfag. Deleksameni elektrofysikk. Emne: IRE Kl. 0900: desember Antalloppgavesider 4 Antallsider med formler 1

UNIVERSITETET I OSLO

FYS1120 Elektromagnetisme

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

FYS1120 Elektromagnetisme

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1001

Kap. 22. Gauss lov. Vi skal se på: Fluksen til elektrisk felt E Gauss lov. Elektrisk ledere. Integralform og differensialform

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

UNIVERSITETET I OSLO

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

UNIVERSITETET I TROMSØ. EKSAMENSOPPGAVE i FYS-1002

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

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

Transkript:

UNIVESITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: FYS1120 Elektromagnetisme Eksamensdag: 29. November 2016 Tid for eksamen: 14.30 18.30 Oppgavesettet er på 3 sider. Vedlegg: Tillatte hjelpemidler: Noen formler / Some formulas Angell/Øgrim og Lian: Fysiske størrelser og enheter ottman: Matematisk formelsamling Elektronisk kalkulator av godkjent type Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Dette er oppgaver og løsningsforslag til avsluttende eksamen i FYS1120 høsten 2016. Merk at symmetriargumentene vi bruker i oppgavene om Gauss lov og Ampères lov er mer detaljerte enn det vi krever for å få full uttelling på eksamen. Oppgave 1 (a) Skriv Gauss lov på matematisk form, og beskriv presist alle symbolene som inngår. Gauss lov: Φ E = S E da = Q encl ɛ 0 (1) Symbolene i Gauss lov: Φ E Elektrisk fluks gjennom en lukket flate. Integral over en lukket flate E Elektrisk felt da Infinitesimalt arealelement representert som en vektor normalt på flaten. Q encl Ladning innesluttet av Gaussflaten Elektrisk vakuumpermittivitet ɛ 0 (Fortsettes på side 2.)

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 2 (b) Bruk loven til å finne et uttrykk for E-feltet fra en uendelig lang og rett linjeladning med konstant ladningstetthet λ per lengde. Vi legger en sylinderformet Gaussflate med sylinderakse lik linja ladningen ligger på. Vi setter sylinderens lengde til l og radien til r. Av symmetrigrunner vil feltet over den kurvede flaten på sylinderen være homogent over og stå normalt på den kurvede delen av Gaussflaten, og parallelt med Gaussflaten over endeflatene. Symmetrier: Feltstyrken er homogen over gaussflaten pga rotasjonssymmetri om sylinderaksen (feltstyrken kan ikke endre seg om vi roterer ladningsfordelingen). Feltet står normalt på Gaussflaten pga speilsymmetri langs ladningsfordelingen (feltet kan ikke endre seg om vi snur linjeladningen). Dermed har vi: Φ E = E2πrl = Q encl ɛ 0 E = = λl ɛ 0 (2) λ 2πrɛ 0 (3) Betrakt to hule og konsentriske sylindre, begge sirkulære i tverrsnitt og med tykkelse t. Figuren viser snitt gjennom konfigurasjonen. Sylindrene er laget av metall, og den indre har ladningstetthet (per lengde) λ, mens den andre har tettheten 2λ. Anta at sylindrene er uendelig lange. t t a b (c) Finn uttrykk for E-feltet utenfor den ytre sylinderen, og i den indre hulrommet. (Fortsettes på side 3.)

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 3 På grunn av sirkelsymmetri om sylinderaksen kan vi anta homogen feltstyrke over buet sylinderflate, og pga speilsymmetri om et plan med normalvektor parallell med sylinderaksen, kan vi anta at feltet står normalt på buet sylinderflate. Dermed er feltet utenfor den ytre sylinderen E = λ 2πrɛ 0 rettet utover, og feltet i det indre hulrommet E = 0. (d) Finn feltet i alle de resterende områdene. Siden sylindrene er laget av metall, vil feltet inni selve metallet være 0. Det siste området er området mellom sylindrene. Vi har symmetri som i forrige deloppgave, og feltet er E = λ 2πrɛ 0 rettet innover. Oppgave 2 (a) Definer elektrisk strømtetthet og beskriv presist relasjonen mellom strømtetthet og resistiviteten til et materiale. Strømtetthet: J I/A, eventuelt J di da. esistiviteten er den inverse av proporsjonalitetskonstanten mellom strømtetthet og elektrisk felt: J = E. Kanskje oftere oppgitt som ρ = E, altså forholdet mellom ρ J elektrisk felt og strømtetthet. Betrakt en uendelig lang rettlinjet strømførende ledning med sirkulært tverrsnitt med radius. Finn uttrykk for B-feltet i en avstand r fra ledningens senter dersom: (b) strømmen, I, fordeler seg jevnt over hele ledningens tverrsnitt,

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 4 Her er det lurt å bruke Ampères lov: B dl = µ C 0I encl med Ampèresløyfe som sirkel med normalvektor parallell og sentrum sammenfallende med et vilkårlig punkt langs sylinderaksen. otasjonssymmetri av strømtettheten gir oss homogen feltstyrke over den valgte Ampéresløyfa. Fra I ˆr i Biot-Savarts lov ser vi at ethvert bidrag til magnetisk felt fra en rett strøm vil bidra i planet normalt på strømmen. Speilsymmetri om en vilkårlig akse normalt på og gjennom sylinderaksen bør overbevise oss om at bidrag fra hver side av symmetriaksen bidrar konstruktivt for konsentriske sirkelkomponenter av B-feltet, og destruktivt for radielle komponenter. Derfor står feltlinjene som konsentriske sirkler rundt ethvert punkt på, og normalt på, sylinderaksen. I vissheten om dette bruker vi Ampères lov, først for r : B dl = B2πr = µ 0 I πr2 (4) π 2 C B = µ 0Ir 2π 2 (5) For r > har vet vi at I encl = I, slik at B = µ 0I 2πr. og dersom: (c) strømmen, I, flyter bare i den ytre delen, /2 r, der den også nå er jevnt fordelt. Symmetrier er behandlet i forrige oppgave, og gjelder fortsatt. I dette tilfellet får vi ingen innsluttet strøm for r < /2, slik at B = 0 i dette området. For /2 < r < har vi C B dl = B2πr = µ 0 I π(r2 ( 2 )2 ) π( 2 ( 2 )2 ) (6) slik at B = µ 0I(r 2 ( 2 )2 ) 2πr( 2 ( 2 )2 ) B = µ 0I for r >. 2πr = 2µ 0I(r 2 2 4 ) 3πr 2. Som i forrige deloppgave har vi (d) Skisser de to fordelingene B(r) for r 4. Lag gjerne skisser selv om du ikke fant svar på spørsmål (b) og (c). (Fortsettes på side 5.)

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 5 Den stiplede linja korresponderer til løsningen i b), og den prikkete til Skisse av B(r) 1 B(r) 2π µ0i 0.5 0 løsningen i c). 0 1 2 3 4 r/ Oppgave 3 ε C V P P d Kretsen på figuren over brukes til å måle hastigheten til en kule. Fra start er kondensatoren fullt oppladet av batteriet i det kulen ankommer fra venstre med hastighet v, og bryter kretsen i punktet P. Anta at voltmeteret har en uendelig stor intern resistans. (a) Vis på en figur hvor strømmen går i kretsen etter at kulen har passert P. Finn et uttrykk for strømmen. (Fortsettes på side 6.)

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 6 ε C V P P Strømmen går kun i sløyfa indikert i figuren. Dette er en ren utladning av kondensator i serie med en motstand, og da er strømmen gitt som I = I 0 e t C, der I 0 = ε. Kulen fortsetter med uendret hastighet og bryter kretsen også i P. Voltmeteret måler da V = ε/3. (b) Vis at hastigheten til kulen kan bestemmes fra formelen, v = d C ln 3. (7) Vi begynner med å se at hastigheten må være v = d, altså strekning/tid. t Siden voltmeteret viser ε t vet vi at e 3 C = 1 t, slik at = ln 1, eller 3 C 3 t = C ln 3. Vi setter dette inn i likningen for hastigheten. Dermed er v = d. C ln 3 Avstanden d er 50 cm, kapasitansen C er 100 nf og resistansen er 4 kω. (c) Hvor stor var hastigheten i dette tilfellet? Her skal vi kun sette inn tall i svaret fra forrige deloppgave. v = d C ln 3 = 50 cm 4 kω 100 nf ln 3 1140 m s 1 (8) (Fortsettes på side 7.)

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 7 Oppgave 4 (a) Beskriv innholdet i Lenz lov så presist du kan. Strøm indusert i en leder som befinner seg i et varierende magnetisk felt vil være slik at den setter opp et felt som motvirker endringen som forårsaket den. B v L α Et par lange parallelle metallskinner holdes på skrå i en vinkel α i forhold til horisontal-planet. Skinnene har en avstand L, og er elektrisk sammenkoblet i bunnen. På tvers over skinnene ligger en metallstav med masse m og resistans. esistansen i skinne-systemet er neglisjerbar. Et statisk homogent vertikalt magnetfelt, B, er til stede overalt, se figur. Staven slippes nå med null startfart, og vi ser bort fra friksjon. (b) Hva blir retningen på den induserte strømmen? Gi fysiske argumenter. Magnetfeltet er rettet nedover, slik at når staven beveger seg pga. tyngdekraften vil magnetfluksen rettet nedover reduseres. Da vil det i henhold til Lenz lov settes opp en strøm medsols (sett ovenfra) for å kompensere dette flukstapet. (Fortsettes på side 8.)

Eksamen i FYS1120, 29. November 2016 Side 8 (c) Utled et uttrykk for den magnetiske kraften på den glidende staven. Kraft på strømførende leder normalt på magnetfelt: F = ILB. Strømmen er her den strømmen vi får indusert pga. fluksendringen: I = 1 dφ B = dt vbl cos α. Dermed er F B = L2 vb 2 cos α. Denne kraften virker horisontalt, altså i samme retning som I B. (d) Forklar hvorfor det finnes en øvre grense for hastigheten. Finn et uttrykk for grenseverdien. Vi ser at den magnetiske kraften har en komponent F B cos α mot bevegelsesretningen, og at den er proporsjonal med hastigheten. Komponenten langs skråplanet av gravitasjonskraften, som driver staven nedover skråplanet, er konstant lik mg sin α. Dermed må det finnes en hastighet der den magnetiske kraften fullstendig opphever gravitasjonskraften. Setter opp kraftlikevekt langs skråplanet: F = FG + F B = mg sin α L2 vb 2 cos α Stabil hastighet nås når F = 0. Dermed er cos α (9) v max = mg L 2 B 2 sin α cos 2 α (10) (Fortsettes på side 9.)