Løsningsforslag SIE4010 Elektromagnetisme 5. mai 2003

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

UNIVERSITETET I OSLO

A. forbli konstant B. øke med tida C. avta med tida D. øke først for så å avta E. ikke nok informasjon til å avgjøre

Løsningsforslag, Midtsemesterprøve fredag 13. mars 2009 kl Oppgavene med kort løsningsforslag (Versjon A)

1b) Beregn den elektriske ladningstettheten inni kjernen og finn hvor stor den totale ladningen er.

Løsningsforslag, Midtsemesterprøve torsdag 6. mars 2008 kl Oppgavene med kort løsningsskisse

Midtsemesterprøve torsdag 6. mars 2008 kl

Midtsemesterprøve fredag 13. mars 2009 kl (Versjon B)

Øving 9. Dersom ikke annet er oppgitt, antas det at systemet er i elektrostatisk likevekt.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 8. a = e m E

Midtsemesterprøve fredag 23. mars 2007 kl

Inst. for fysikk 2015 TFY4155/FY1003 Elektr. & magnetisme. Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 8. a =

Øving 13, løsningsskisse.

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

Løsningsforslag til Eksamen i fag MA1103 Flerdimensjonal analyse

Øving 13, løsningsskisse.

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 29. mai 2017

Midtsemesterprøve fredag 23. mars kl

Øving 4: Coulombs lov. Elektrisk felt. Magnetfelt.

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

UNIVERSITETET I OSLO

Vår 2004 Ordinær eksamen

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

TFE4120 Elektromagnetisme

Løsningsforslag Kollokvium 1

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 9.

dx = 1 2y dy = dx/ x 3 y3/2 = 2x 1/2 + C 1

MAT 1110: Løsningsforslag til obligatorisk oppgave 2, V-06

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

Sensorveiledning Oppgaveverksted 4, høst 2013 (basert på eksamen vår 2011)

1 Mandag 1. mars 2010

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

I = (xy + z 2 ) dv. = z 2 dv. 1 1 x 1 x y z 2 dz dy dx,

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

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Brøkregning og likninger med teskje

Løsningsforslag til øving 4

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?

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Løsningsforslag Eksamen 30. mai 2007 FY2045 Kvantefysikk

1 k 2 + 1, k= 5. i=1. i = k + 6 eller k = i 6. m+6. (i 6) i=1

Løsningsforslag Eksamen 19. august 2005 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

75045 Dynamiske systemer 3. juni 1997 Løsningsforslag

Kap. 3 Krumningsflatemetoden

1 Geometri KATEGORI Vinkelsummen i mangekanter. 1.2 Vinkler i formlike figurer

1 Mandag 18. januar 2010

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

Tillegg om integralsatser

Løsningsforslag til prøveeksamen Mat1110 våren 2004 Oppgave 1 (a) Elemetære rekkeoperasjoner anvendt på den utvidete matrisen til systemet gir oss:

MAT 100A: Mappeeksamen 4

2x 3 4/x dx. 2 5 x 3 + LF: Vi utfører polynomdivisjon. 2x + 1 dx = + C = 5x8/ ln 2x C 4. πx 2 e 3x3 dx = π

2 π[r(x)] 2 dx = u 2 du = π 1 ] 2 = π u 1. V = π. V = π [R(x)] 2 [r(x)] 2 dx = π (x + 3) 2 (x 2 + 1) 2 dx = 117π 5.

1 Mandag 8. mars 2010

a 2πf(x) 1 + (f (x)) 2 dx.

TKP4100 Strømning og varmetransport Løsningsforslag til øving 10

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

UNIVERSITETET I OSLO

DEL 1 Uten hjelpemidler

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Torsdag 2. desember 2004

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Kap. 23 Elektrisk potensial

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER:

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Øving 6. Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme. Veiledning: Uke 7 Innleveringsfrist: Mandag 19. februar.

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

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

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER: a n x n. R > 0, med summen s(x). Da gjelder: a n n + 1 xn+1 for hver x < R.

S1 kapittel 4 Logaritmer Løsninger til oppgavene i boka

R1 kapittel 7 Sannsynlighet. Kapitteltest. Oppgave 1. Oppgave 2. Oppgave 3. Del 1 Uten hjelpemidler. Løsninger til oppgavene i boka

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

Fasthetslære. HIN Teknologisk avd. RA Side 1 av 8

Øving 15. H j B j M j

R1 kapittel 1 Algebra

9 Potenser. Logaritmer

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

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

Løsning til utvalgte oppgaver fra kapittel 15, (13).

dy ycos 2 y = dx. Ved å integrere på begge sider av likhetstegnet får man ved å substituere u = y,du = dy dy ycos 2 y = 2du cos 2 u = x.

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i ECON 2130

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

2.2.1 Grunnleggende betraktninger

Eksamen R2, Va ren 2014, løsning

Kap. 23 Elektrisk potensial

Integrasjon Skoleprosjekt MAT4010

Institutt for elektroteknikk og databehandling

FYS1120 Elektromagnetisme

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Transkript:

Oppgve 1 Løsningsforslg SIE4010 Elektromgnetisme 5. mi 2003 ) Av symmetrigrunner må det elektriske feltet være rdielt rettet og uvhengig v φ, E = E(r)u r.vilrs være overflten til en sylinder med rdius r og lengde l. Ldningen per lengdeenhet på innerlederen kller vi Q. Guss lov gir: E ds Q l, for <r<b =2πrlE(r) =Q innenfor S = (1) 0, ellers, dvs S E(r) = Q 2πr, for <r<b (2) Vi finner Q vedbrukvdefinisjonen v potensil: Altså får vi V () V (b) =V 0 0= b E(r)dr = Q 2π b dr r = Q 2π ln b. (3) Q = 2πV 0. ln b (4) Innstt i (2) gir dette E = E(r)u r = V0 r ln b u r, for <r<b (5) Det går også nåbrukeguss lovpådifferensilform, D = ρ, eller Poissons likning 2 V = ρ til å finne E.Differensilopertorene uttrykkes d i sylinderkoordinter, og mn må bruketρ = 0 i det dielektriske mediet mellom lederne. b) Kpsitns per lengdeenhet: C Q = V () V (b) = Q = 2π. (6) V 0 ln b c) Den lgrede elektrosttiske energien per lengdeenhet, W e, v kbelen er gitt ved W e = 1 2 C V 2. Ved å sette inn uttrykket for C som ble funnet i b) og bruke t V = V 0,får vi W e = π V ln b 0 2. (7) (8) Dette resulttet kn også finnes ved å integrere energitettheten w e = 1 2 D E = 1 2 E2 over tverrsnittet v kbelen, i rommet mellom lederne.

d) Av symmetrigrunner må H og B kun h en φ-komponent og kun være vhengig v r, dvs. B = B(r)uφ.( B kn ikke h en rdiell komponent fordi fluksen ut v en lukket flte (f.eks. en sylinderflte) er lltid null.) Ampères lov nvendt påensirkulær integrsjonssløyfe med sentrum i midten v koksilkbelen gir: H d I, for <r<b l = H2πr = (9) C Husk t strømmen skulle nts ågåpåoverflten v innerlederen og på den indre overflten v ytterlederen. Vi får: B = B(r)u φ = µi u 2πr φ, for <r<b (10) e) Selvinduktnsen er definert ved L = Φ I (11) Dersom det går en konstnt strøm i kbelen, må den være lukket i begge ender (kilde og lst), og Φ er fluksen som går igjennom denne lukkede sløyf. Hvis vi ntr t kbelens lengde er l, får vi b b Φ = l Bdr = µli dr 2π r = µli ln b 2π og dermed en induktns per lengdeenhet, (12) L = L l = Φ li = µ ln b 2π (13) f) Siden lederne nts å være ideelle, må det elektriske feltet være null inne i lederne. Potensilet på den ytre flten v ytterlederen er null (slik det også er i uendeligheten), og følgelig må potensilet overlt utenfor også være null. Evt. kn dette vises mtemtisk på følgende måte: L c være den ytre rdius til koksilkbelen. Vi må løse det elektrosttiske problemet (finne V ) for r > c. Lplce likning i sylinderkoordinter gir: 1 d r dv = 0 (14) r dr dr siden potensilet må være uvhengig v z og φ. Vifår ltså dv dr = k r, og dermed V = k ln r k (15) der k og k er en konstnter. Potensilet skl være null både for r = og for r = c, så k = k =0.Vifår ltså V = 0 for r>c. Dette kunne vi forsåvidt sgt med en gng, for så lenge vi bre er interessert i potensilet utenfor kbelen, blir dette smme problem å løse som om det hdde vært ldningsfritt vkuum overlt. Altså: I områdene I, III og IV er det elektriske feltet null. Ldningene blir fordelt slik t det elektriske feltet blir null i lederne. Viktige moment: All ldning på overflten. Mest ldning til høyre. Se figur (skissen gjelder dersom V 0 > 0).

Oppgve 2 ) Siden µ r >> 1, kn vi nt t fluksen følger toroiden. Videre ntr vi t flukslinjene ikke spres i luftgpet siden g << b. Siden toroiden er tynn ntr vi t B-feltet er tilnærmet uniformt over tverrsnittet slik t fluksen blir Φ = Bπb 2. Amperes lov nvendt på den stiplede integrsjonskurven i sentrum v toroiden gir: dvs. Φ = H d l = Φ Φ (2π g) µ r µ 0 πb2 µ 0 πb g = N 1I 2 1, (16) µ 0 πb 2 N 1 I 1 (2π g)/µ r g µ 0πb 2 N 1 I 1 2π/µ r g. (17) Tilnærmelsen gjelder siden luftgpet er lite (g <<b). Selvinduktns: L 1 = N 1Φ I 1 = µ 0 πb 2 N 2 1 (2π g)/µ r g µ 0πb 2 N 2 1 2π/µ r g. (18) Merk t fluksgjennomstrømningen i spolen er N 1 Φ siden det er N 1 tørn. b) Generelt uttrykk for energitetthet i et mgnetisk felt: w m = 1 2 B H, (19) evt. w m = 1 2 µh2 = 1 2µ B2 (20) for et lineært medium. Totl mgnetisk energi: B 2 W m = dv 2µ r µ 0 mgnetisk mterile luftgp B 2 2µ 0 dv. (21) Når vi setter µ r = får vi fr (17) t B = µ 0 N 1 I 1 /g. Det første leddet i (21) blir derfor null, og vi blir stående igjen med W m = µ 0N1 2 I1 2 gπb 2 = µ 0πb 2 N1 2 I1 2. (22) 2g 2 2g Vi ser direkte t dette er lik 1 2 L 1I 2 1 når vi setter µ r = i uttrykket for L 1.

c) Siden strømmen nts å være konstnt, finnes krften vh. F = W m.krftensom virker i positiv g -retning er derfor gitt ved F = W m g = µ 0πb 2 N 2 1 I 2 1 2g 2. (23) Fortegnet viser t det virker en krft µ 0 πb 2 N 2 1 I2 1 /(2g2 )inegtiv g -retning, dvs. den prøver å redusere luftgpet. Uttrykket viser t retningen er uvhengig v fortegnet på I 1. d) Detertoviklingerispole2,såvifår: L 12 = Φ 12 I 1 = 2Φ = 2µ 0πb 2 N 1. (24) I 1 g e) Når I 1 øker, øker også fluksen Φ gjennom toroiden. Det induseres en spenning i sekundærspolen som prøver å motvirke denne endringen. Ut fr figuren ser vi t de to spolene er vindet smme vei rundt jernkjernen. Spenningen utlest på voltmeteret blir derfor negtiv. Oppgve 3 ) Siden ledningen er kuttet v, kn det ikke gå en konstnt strøm i det uendelige. I et begrenset tidsrom, derimot, kn det gå en strøm; i så fll øker (minker) ldningen i høyre (venstre) endepunkt. Vi kn ikke lenger bruke Amperes lov på smme måte som før, fordi vi hr to tidsvhengige ldninger. Dette gir opphv til et tidsvhengig D-felt, som igjen betyr en forskyvingsstrøm. I oppgven burde det h vært ngitt t observsjonspunktet er så nær lederen t vi kn se bort fr t feltene bruker en viss tid på å forplnte seg dit. Når vi ikke er interessert i den trnsiente fsen, kn en metode for å finne H i punktet P være som følger: Ant en endepunktldning Q til høyre, og Q til venstre. Disse er reltert til strømmen ved I =dq/dt.finnd-feltet lngs r-ksen på figuren pg. de to ende-punktldningene ved hjelp v Guss lov (evt. Coulombs lov) og superposisjon. Regn ut forskyvningsstrømtettheten D/ t og uttrykk svret ved I. Bruksåden generliserte Amperes lov: C H d l = I S D t d S, (25) der C er en sirkel med ledningen som kse og som går igjennom P. Det siste leddet er forskyvningsstrømtettheten integrert over disken som er begrenset v integrsjonssirkelen. Ut fr figuren ser vi t D blir rettet mot venstre. Siden forskyvningen D er økende er det klrt t forskyvningsstrømmen også blir rettet mot venstre, dvs. motstt retning v I. H φ blir derfor mindre enn for en uendelig lng ledning.

Oppgve 4 Noen kommentrer: c) kn løses f.eks. ved åsepå relsjonene F = Q( E v B) eller E = B. Løsningen på d)ert E-feltet skjermes v polriseringsldningene, og t B t forsterkes v mterildipolene. På e), regn ut div og curl til E. Siden curlen blir forskjellig fr null, må vihettidsvhengigb-felt. Divergensen blir null, dvs. vi hr ldningsfritt rom (siden mterilet er lineært, er ρ = D = E). (Oppgven kunne vært formulert litt mer presist: Konstnten kn ikke være konstnt i et uendelig tidsintervll, for d ville B blitt uendelig. Dette er ltså ikke elektrosttikk). På f), bruk f.eks. uttrykket for C til en prllellpltekondenstor (C = S/d) tilåvisetc øker når d minker. Siden C = Q/V,er det derfor klrt t V minker (ldningen kn ikke endres når terminlene er åpne). Spørsmål Alt. i) Alt. ii) Alt. iii) Alt. iv) ) x b) x c) x d) x e) x f) x g) x