Onsdag isolator => I=0

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

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

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

Løsningsforslag til øving 5

Onsdag og fredag

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

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

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

Løsningsforslag til øving 4

Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

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

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

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

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

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

Øving 2. a) I forelesningene har vi sett at det mekaniske svingesystemet i figur A ovenfor, med F(t) = F 0 cosωt, oppfyller bevegelsesligningen

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

EKSAMEN 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

Mandag F d = b v. 0 x (likevekt)

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

Onsdag og fredag

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

Oppsummering om kretser med R, L og C FYS1120

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

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

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

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

og P (P) 60 = V 2 R 60

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

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

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

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s kap. 16, s

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

TFY4104 Fysikk Eksamen 28. november 2016 Side 13 av 22

Tirsdag r r

Laboratorieøving 1 i TFE Kapasitans

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

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

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

Onsdag og fredag

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

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s og kap. 16, s.

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4160/FY1002: Bølgefysikk Høsten 2006, uke 36

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

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

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Eksamensoppgave i TFY4104 Fysikk

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 7.

TFY4104 Fysikk Eksamen 16. desember 2017 Formelside 1 av 6

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C = 1volt

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

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

Kretsanalyse basert på elektromagnetisme

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C. 1volt

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi

Løsningsforslag til øving 2

Stivt legeme, reeksjonssymmetri mhp rotasjonsaksen: L = L b + L s = R CM MV + I 0!

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

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

Forelesning nr.5 IN 1080 Mekatronikk. RC-kretser

TFY4104 Fysikk Eksamen 6. desember 2018 { 6 sider

Elektriske kretser. Innledning

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

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

TFE4101 Vår Løsningsforslag Øving 3. 1 Teorispørsmål. (20 poeng)

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

Enkle kretser med kapasitans og spole- bruk av datalogging.

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

Innhold. Innledning 13

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

Lab 3: AC og filtere - Del 1

Mandag Ledere: Metaller. Atomenes ytterste elektron(er) er fri til å bevege seg gjennom lederen. Eksempler: Cu, Al, Ag etc.

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

7.1 RESISTANS - SPOLE - KONDENSATOR TILKOPLET ENKELTVIS 7.1 RESISTANS - SPOLE - KONDENSATOR TILKOPLET VEKSELSTRØM ENKELTVIS

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

LABORATORIERAPPORT. RL- og RC-kretser. Kristian Garberg Skjerve

Oppgave 3 -Motstand, kondensator og spole

Mandag Mange senere emner i studiet bygger på kunnskap i bølgefysikk. Eksempler: Optikk, Kvantefysikk, Faststoff-fysikk etc. etc.

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

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 8. desember 2006 kl 09:00 13:00

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

Forelesning nr.12 INF 1410

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

Oppgave 3: Motstand, Kondensator og Spole

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

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

Transkript:

Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2008, uke 13 Onsdag 26.03.08 RC-kretser [FGT 27.5; YF 26.4; TM 25.6; AF Note 25.1; LHL 22.4; DJG Problem 7.2] Rommet mellom de to lederne i en kondensator er fylt med en isolator, og gjennom en (ideell) isolator går det null elektrisk strøm. I(t) Q(t) C Q(t) isolator => I=0 Vi kan imidlertid ha en tidsavhengig strøm I(t) inn og ut av kondensatorens ledere (platene, hvis det er snakk om en parallellplatekondensator). Dermed får vi en tidsavhengig ladning Q(t) på kondensatorplatene. Kan vi bruke Kirchhoffs regler til å analysere kretser med tidsavhengige I(t), V (t), Q(t)? Ja: For langsomt varierende strømstyrker, der langsomt er i forhold til hvor raskt en endring et sted i kretsen merkes i resten av kretsen. Siden elektromagnetiske signaler (bølger) forplanter seg med lyshastigheten c, er dette i praksis som regel ikke noe problem. 1

Eksempel 1: Opplading av kondensator i RC-krets. C I Q R (kobles inn ved t=0) (Like-)Spenningskilden E kobles inn ved tidspunktet t = 0. Da har vi null ladning på kondensatoren, Q(0) = 0. Kirchhoffs spenningsregel E V C V R = 0 Spenningsfall over C: V C = Q/C Spenningsfall over R: V R = RI = R dq dt Gir 1. ordens differensialligning for ladningen Q: som har løsning R dq dt + 1 C Q = E Q(t) = EC ( 1 e t/rc) Her har vi brukt initialbetingelsen Q(0) = 0. Strømstyrken blir I(t) = dq dt = E R e t/rc Tidskonstant for oppladningsprosessen: τ = RC Verdien av τ gir en størrelsesorden for hvor lang tid det tar å lade opp kondensatoren til sin maksimale ladning Q(t ) = EC 2

Eksempel 2: Utlading av kondensator i RC-krets. (Dette eksempelet ble ikke tatt på forelesning i år, men det er gitt som oppgave 3 i øving 11. Prøv deg selv før du evt sjekker her.) C I Q R Vi antar at kondensatoren i utgangspunktet er ladet opp med en spenningskilde E og at den er full-ladet slik at initialbetingelsen her er Q(t = 0) = EC. Kirchhoffs spenningsregel V R V C = 0 Gir igjen 1. ordens differensialligning for ladningen Q: som har løsning R dq dt 1 C Q = 0 Q(t) = ECe t/rc Her har vi brukt initialbetingelsen Q(0) = EC. Strømstyrken blir I(t) = dq dt = E R e t/rc Vi ser av figuren at vi her valgte feil retning på strømmen I: Positiv ladning vil måtte strømme fra den positivt ladete platen, og derfor gi positiv strøm i retning mot klokka. Dette er imidlertid ivaretatt, i og med at den beregnede strømmen kom ut med et negativt fortegn. Merk at dersom vi hadde valgt motsatt retning på I i figuren, kunne vi ikke lenger ha skrevet I = dq/dt, men derimot I = dq/dt, ettersom en positiv strøm da ville tilsvare en reduksjon i ladningen på kondensatoren. Med andre ord: dq/dt vil da være negativ for positiv I, og vi må skrive I = dq/dt for å få samme fortegn på begge sider av likhetstegnet. Min anbefaling er å velge retning på strømmen I i forhold til ladningen Q på kondensatoren slik som det er gjort i figuren over. Da kan vi holde oss til sammenhengen I = dq/dt, dvs positiv I tilsvarer en positiv endring i ladningen Q. Initialbetingelsen(e) for hvert enkelt problem sørger for at fortegnet på I blir riktig til slutt! 3

Vekselstrømkretser [FGT 33.2; YF 31.1,31.2; TM 29.2,29.3; AF Note 27.2; LHL 27.3] (t) Harmonisk varierende spenningskilde: E(t) = V 0 cosωt Perioden: T = 2π/ω. Enhet: s. Angir hvor lang tid det tar mellom hver gang E(t) har, for eksempel, sin maksimalverdi V 0. Frekvensen: f = 1/T = ω/2π. Enhet: s 1 = Hz. Angir hvor mange svingninger E(t) utfører pr tidsenhet. Vinkelfrekvensen: ω = 2πf. Enhet: s 1 (evt. radianer pr sekund). Amplituden: V 0. Enhet: V. Angir maksimalverdien til E(t). T = 2π/ω V 0 π/2ω π/ω 3π/2ω 2π/ω t V 0 Når en vekselspenningskilde kobles til en elektrisk krets (bestående av resistanser, kapasitanser osv), blir de resulterende strømstyrker harmonisk varierende vekselstrømmer. Kirchhoffs regler (strømregelen og spenningsregelen) må være oppfylt ved ethvert tidspunkt t (jfr kommentar angående hvor raskt elektromagnetiske forstyrrelser forplanter seg), noe som setter oss i stand til å beregne resulterende strømstyrker i en gitt krets. Et par enkle eksempler med vekselspenningskilde koblet til elektriske kretser: Eksempel 1: Vekselspenning E(t) = V 0 cosωt koblet til motstand R. Ohms lov og Kirchhoffs spenningsregel ( K2 ) gir E(t) RI(t) = 0 og dermed I(t) = V 0 R cosωt 4

Strømmen svinger i fase med den påtrykte spenningen, med amplitude I 0 = V 0 /R Eksempel 2: Vekselspenning E(t) = V 0 cosωt koblet til kapasitans C. (Gitt som oppgave 4a i øving 11. Prøv selv før du evt sjekker her.) Fra definisjonen av kapasitans, C = Q/V, følger det at spenningsfallet over kapasitansen er V = Q/C. K2 gir da E(t) Q(t) C = 0 og dermed Q(t) = V 0 C cosωt Strømmen er I = dq/dt, dvs I(t) = V 0 ωc sin ωt = V 0 ωc cos(ωt + π/2) Strømmen svinger 90 ute av fase i forhold til den påtrykte spenningen, med amplitude I 0 = I 0 (ω) = V 0 ωc Vi ser at strømamplituden nå blir avhengig av frekvensen til den påtrykte spenningen. Tar vi grensen ω 0, har vi I 0 0, som stemmer bra: Ingen likestrøm gjennom en (ideell) kondensator! Generalisert motstand, eller impedans: I henhold til Ohms lov er ordinær motstand definert som forholdet mellom spenning V og strøm I, R = V/I, og hvis V og I svinger med samme fase (dvs: V (t) = V 0 cosωt og I(t) = I 0 cosωt), vil vi også kunne skrive R = V 0 /I 0, dvs forholdet mellom amplitudene til spenning og strøm. Vi generaliserer denne definisjonen av motstand og lar den gjelde selv om spenning og strøm ikke svinger med samme fase: Med V (t) = V 0 cosωt og I(t) = I 0 cos(ωt α) har kretsen en impedans Z = V 0 /I 0 og en fasevinkel α som angir faseforskjellen mellom spenningen V (t) og strømmen I(t). Vi ser dermed at en motstand R er et kretselement med impedans og fasevinkel Z R = R, α R = 0 En kapasitans C er et kretselement med impedans og fasevinkel Z C = 1 ωc, α C = π/2 5

Neste uke: Magnetisk vekselvirkning! I ekstratimen på onsdag har jeg tenkt å vise, eller i hvert fall sannsynliggjøre, at magnetfeltet og magnetiske krefter er en direkte konsekvens av elektrostatikken (dvs at ladninger i ro påvirker hverandre med Coulombkrefter) og Einsteins spesielle relativitetsteori. Vi kan med andre ord slå fast at magnetisme er en relativistisk effekt. I de ordinære forelesningene starter vi med å se på bevegelse av ladet partikkel i magnetfelt, og vi skal etter hvert introdusere Biot Savarts lov, som gir oppskriften på hvordan magnetfeltet B beregnes med utgangspunkt i hva som måtte være til stede av elektriske strømmer I. Biot Savarts lov er magnetostatikkens svar på Coulombs lov i elektrostatikken, som gir oppskriften på hvordan det elektriske feltet E beregnes med utgangspunkt i hva som måtte være til stede av elektriske ladninger. Og kjenner vi feltene E og B i et område, kan vi også bestemme kraften på en ladning q med hastighet v: som er den berømte Lorentzkraften. F = qe + qv B 6