Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 29. mai 2017

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

UNIVERSITETET I OSLO

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

FYS1120: Oblig 2 Syklotron

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

FYS1120 Elektromagnetisme

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag til øving

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 24. mai = 2πrlɛE(r) = Q innenfor S =

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag SIE4010 Elektromagnetisme 5. mai 2003

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Onsdag og fredag

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

FYS1120 Elektromagnetisme

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 10 Elektrisitet og magnetisme

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

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

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

Elektrisk potensial/potensiell energi

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

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Onsdag og fredag

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

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

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

EKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Tirsdag r r

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

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Løsningsforslag til øving 4

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

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

Maxwell s ligninger og elektromagnetiske bølger

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til øving 3

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

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

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

FYS1120 Elektromagnetisme

Bølgeledere. Figur 1: Eksempler på bølgeledere. (a) parallell to-leder (b) koaksial (c) hul rektangulær (d) hul sirkulær (e) hul, generell form

Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Øving 15. H j B j M j

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Løsningsforslag til øving 9

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

Midtsemesterprøve fredag 11. mars kl

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Onsdag og fredag

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

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME OG FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

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

William Gullvik, Rom E428 Fritz Ove Larsen, Rom F452 Robert Nilssen, Rom E418 miranda.elkraft.ntnu.no/~kvitass SIE1040/

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

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

Løsningsforslag til øving 13

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

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Midtsemesterprøve torsdag 7. mai 2009 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Overflateladningstetthet på metalloverflate

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Kretsanalyse basert på elektromagnetisme

Magnetostatikk Elektrodynamikk:

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

Løsningsforslag, eksamen MA1103 Flerdimensjonal analyse, vår 2009

Transkript:

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for elektroniske systemer Side 1 av 6 Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 29. mai 2017 Oppgave 1 a) Start med å tegne figur! Tegn inn en Gauss-flate S som er en sylinder med lengde l og radius r > a, med felles akse med lederen. Pga. symmetri vil D peke radielt utover, og D er uavhengig av φ. Dermed kan vi forenkle integralet i Gauss lov: D ds = D2πrl = Q l. (1) S Dette gir at D = Q /(2πr). Ved å bruke at feltet er null inne i lederen får vi til slutt: { Q 2πɛ E = 0 rˆr for r > a, (2) 0 for r < a. Her er r den vanlige sylinderkoordinaten (ut fra lederens akse), og ˆr enhetsvektoren som peker radielt utover. b) Vi er bare interessert i feltet og potensialet over bakken. I henhold til speilladningsmetoden, tar vi bort det ledende planet (bakken), og setter inn en speil-linjeladning i z = h, med Q som ladning per lengdeenhet. Superposisjon gir da E = E(z)( ẑ), der E(z) = Q 2πɛ 0 (h z) + Q 2πɛ 0 (h + z). (3) For å finne potensialet i z, må vi integrere E fra observasjonspunktet i z til referansen i z = 0. Dette gir V (z) = z 0 Edz = Q 2πɛ 0 [ ln z h + ln z + h ] z 0 = Q 2πɛ 0 ln h + z h z. (4) I denne deloppgaven er det fort gjort å gå i surr med fortegnet. Det enkleste er derfor å ikke bekymre seg over fortegnet underveis, men heller sjekke at svaret blir slik det må være av fysiske grunner. I dette tilfellet vil både ladningen og speilladningen gi et felt nedover (for 0 < z < h a). Og potensialet må være positivt over bakken, siden man da er nærmest den positive ladningen. c) Sett V (h a) = V 0, så finner du Q 2πɛ 0 = V 0 ln 2h a a V 0 ln 2h a, (5)

Side 2 av 6 og dermed 0 for z 0, V V (z) = 0 ln h+z for 0 < z < h a, ln 2h h z a V 0 for h a z h + a. (6) Tallverdiene gir V 1 = V (2m) = 26 kv. (7) d) Potensialet blir null på hodet hans. Dette fordi han er en ganske god leder (saltvann) og er i god kontakt med jorda. e) Røret får såkalt flytende potensial siden det ikke er i kontakt med noe. Røret plasseres på en ekvipotensialflate, og vil derfor ikke forstyrre potensialet som er regnet ut tidligere. Den får altså potensialet V 1. I utgangspunktet er en potensialforskjell på 26 kv mellom beina og hendene til Størker veldig mye. Hvis Størker er fuktig på hendene og føttene, vil resistansen gjennom kroppen være i størrelsesorden 1 kω, som gir omtrent 30 A igjennom kroppen. Dette er nesten 1000 ganger mer enn det kroppen tåler hvis strømmen varer over en viss tid. Men hvis strømmen bare varer i kort tid, går det bra. (Her er det ikke forventet at man husker tallverdier, men man bør vite at 26 kv gir en strøm igjennom kroppen som er mye større enn hva mennesker tåler, men at det går bra hvis det er ekstremt kortvarig.) Jfr. utladning av statisk elektrisitet, der det kan bli tilsvarende store potensialforskjeller. Men fordi det er så lite ladning, er det vanligvis ikke farlig for mennesker strømmen går så kort tid. Det som altså skjer, er at negativ ladning fra bakken (indusert fra den positive høyspentlinja) utlades via Størker opp til røret (som i utgangspunktet var nøytralt). Hvor mye ladning som skal utlades mellom bakken og metallrøret, er avhengig av størrelsen til røret. Husk at Q = V, der er kapasitansen. Og kapasitansen vil bli større dersom rørets areal øker. Hvor lenge strømmen igjennom Størker varer, vil derfor være avhengig av størrelsen til røret. Konklusjon: Store ledere nær en høyspentlinje kan være farlige dersom de ikke jordes. f) Fordi det går en tidsavhengig strøm i høyspentlinja, vil det bli et tidsavhengig magnetfelt, bl.a. mellom røret og bakken. Dette gir en tidsavhengig fluks i sløyfa bestående av røret og bakken, og dermed en emf. Vi gjør et grovt overslag over denne emf en ved å regne ut B midt mellom røret og bakken (dvs. i en avstand 9m fra høyspentlinja, som vi tilnærmer til 10m for enkelthets skyld). Bruker Amperes lov og får B-feltamplituden B = µ 0I 2πr = 20 µt. (8) Vi regner som om B er uniformt mellom bakken og røret (i virkeligheten er B litt sterkere ved røret enn ved bakken, men det betyr ikke mye). Fluksamplituden er derfor Φ = BS = 20µT 10km 2m = 0.4 Tm 2. (9)

Side 3 av 6 Dette gir emf en e = 2π 50 Hz 0.4 Tm 2 = 40πV 126 V. (10) Dette er tilnærmet like mye som det er mellom en av fasene og jord i vanlig stikkontakter, og kan derfor være farlig. I utregningen har vi brukt at strømmen og dermed fluksen går som en sinus-funksjon, og derivasjonen i Faradays lov gir en ekstra faktor lik vinkelfrekvensen ω = 2πf = 2π 50 Hz. (Vi har brukt kvasistatikk i denne analysen. Det er ok, siden bølgelengden som svarer til frekvensen f = 50 Hz er λ = c/f 6000 km, som er like langt som radiusen til jorda, og mye lengre enn 10 km.) Oppgave 2 a) Av symmetrigrunner har feltet kun en φ-komponent, og den er bare en funksjon av r. Så vi kan skrive overalt: H = H(r)ˆφ. (11) Vi bruker Ampéres lov H dl = J ds, (12) S der J ds er strømmen som passerer gjennom et areal begrenset av integrasjonssløyfen. I dette tilfellet velger vi integrasjonssløyfen til å være en S sirkel med sentrum i midten av koaksialkabelen og radius r. For r < a: som gir For a < r < b finner vi som gir For b < r < b + t finner vi H dl = 2πrH(r) = H dl = 2πrH(r) = πr2 I, (13) πa2 H = H = ri 2πa 2 ˆφ for r < a. (14) H dl = 2πrH(r) = I, (15) I 2πr ˆφ for a < r < b. (16) ) (I πr2 πb 2 π(b + t) 2 πb I = I (b + t)2 r 2, (17) 2 2bt + t 2 som gir H = I (b + t) 2 r 2 ˆφ for b < r < b + t. (18) 2πr 2bt + t 2

Side 4 av 6 For r > b + t finner vi H dl = 2πrH(r) = I I = 0. (19) Vi bruker til slutt at B = µ 0 H, og oppsummerer: µ 0 ri ˆφ for r < a, 2πa 2 µ 0 I B = ˆφ for a < r < b, 2πr µ 0 I (b+t) 2 r 2 ˆφ 2πr 2bt+t for b < r < b + t, 2 0 for r > b + t (20) 1 0.8 B(r) µ 0 I 2πa 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 Plott av B(r) for b = 4a og t = a. Et slikt plott var det ikke spurt etter i oppgaven, det var spurt etter en skisse. Det viktigste å få med seg på en skisse, er alle karakteristiske egenskaper. Dvs. at toppunktet er ved r = a og B(a) = µ 0 I/2πa, at funksjonen for r < a er lineært økende, at funksjonen for a < r < b er en hyperbel og minkende, og at funksjonen går ned til null ved r = b + t. b) Her godtas forklaringer som får fram at ac-strømmen i lederen skaper et tidsvarierende B-felt, som igjen induserer et E-felt som får strømmen til å bli større ytterst. Det at strømtettheten er sterkest ytterst, og avtar innover, kalles skinneffekt. r a B I z E Her er en mer detaljert forklaring for spesielt interesserte: Pga. sylindersymmetri vil strømmen være sylindersymmetrisk fordelt, og vi antar først at strømmen er jevnt fordelt over tverrsnittet (for å se om det kan være en mulig løsning). Dette gir fra forrige deloppgave at B = µ 0rI 2πa 2 ˆφ for r < a. (21)

Side 5 av 6 Vi setter dette inn i Faradays lov E = B, og bruker sylinderkoordinater. ˆφ-komponenten av denne ligningen t gir E z r = µ 0r 2πa 2 di dt, (22) der E z er z-komponenten til E. Ved å integrere denne ligningen fra r = 0 til r får vi E z (r) = E z (0) + µ 0r 2 di 4πa 2 dt. (23) Avhengigheten r 2 viser at vi vil ha størst E z -felt langs kanten. Dette feltet vil sette igang en større strøm langs kanten enn i midten. Vi får derfor en korreksjon til antagelsen om at strømmen var jevnt fordelt. Vi kan plugge den nye strømmen tilbake, og iterere til det konvergerer. Da vil man få den eksakte løsningen. Man kunne evt. i stedet la strømfordelingen være en ukjent funksjon J(r), og bruke J = σe, Amperes lov og Faradays lov på differensialform. Da får man en diffligning som gir den riktige løsningen. c) Siden strømmen forutsettes jevnt fordelt over lederne vil strømmen i ytterlederen ikke bidra til feltet på innsiden av ytterlederen. Feltbildet på innsiden av ytterlederen må derfor være konsentriske sirkler om innerlederens akse. Skisse I, V og VI kan dermed elimineres. Skisse III er ikke brukbar fordi feltlinjene på utsiden av ytterlederen ikke inneholder noe bidrag fra strømmen i ytterlederen (skissen viser feltbildet fra innerlederen alene). Skisse IV er ikke brukbar fordi feltet har divergens ved ytterlederen (alle magnetiske feltlinjer må bite seg selv i halen ). Skisse I, IV og VI er dessuten ikke brukbare fordi feltet må være forskjellig fra null utenfor ytterlederen (feltet fra de to lederne kan umulig kompensere hverandre overalt). d) Vi legger merke til at feltlinjene for B knekker på den indre overflaten til ytterlederen. Dette betyr at enten tangensialkomponenten eller normalkomponenten til B er diskontinuerlig. Men fra grensebetingelsen for B vet vi at normalkomponenten må være kontinuerlig, så da er det tangensialkomponenten som er diskontinuerlig. Materialet er ifølge oppgaven umagnetisk, så det betyr at H = B/µ 0. Dermed er tangensialkomponenten av H diskontinuerlig. Da har vi ifølge grensebetingelsen for H en flatestrøm på den indre overflaten til ytterlederen.

Side 6 av 6 Oppgave 3 Spørsmål Alt. i) Alt. ii) Alt. iii) Alt. iv) a) x b) x c) x d) x e) x