UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

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

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

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

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

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

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

FYS1120 Elektromagnetisme

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

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

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 29. mai 2017

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

EKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

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

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

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

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

FYS1120 Elektromagnetisme

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

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

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1002

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

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

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

Øving 15. H j B j M j

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

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

Midtsemesterprøve torsdag 7. mai 2009 kl

EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME OG FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

Tirsdag r r

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

Onsdag og fredag

Elektrisk potensial/potensiell energi

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

UNIVERSITETET I TROMSØ. EKSAMENSOPPGAVE i FYS-1002

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

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

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

UNIVERSITETET I OSLO

Midtsemesterprøve fredag 11. mars kl

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

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

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag SIE4010 Elektromagnetisme 5. mai 2003

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TFY4155 ELEKTRISITET OG MAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Eksamensoppgave i TFY4155 ELEKTRISITET OG MAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

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

UNIVERSITETET I OSLO

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi

Løysingsforslag Kontinuasjonseksamen TFE4120 Elektromagnetisme 13. august 2004

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: FYS1120 Elektromagnetisme Eksamensdag: Prøveeksamen 2017 Oppgavesettet er på 9 sider Vedlegg: Tillatte hjelpemidler: Formelark Angell/Øgrim og Lian: Fysiske størrelser og enheter Rottman: Matematisk formelsamling Elektronisk kalkulator av godkjent type Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene Alle deloppgaver har lik vekt Oppgave 1 a) Finn spenningen V 1 over motstanden R 1 i kretsen i fig 1 R 2 R 3 + V 0 + R 1 V 1 Figur 1: Krets med tre motstander Vi kaller strømmene i motstandene for henholdsvis I 1, I 2 og I 3, med positiv retning mot høyre eller nedover Da har vi fra Kirchhoffs strømlov: I 2 = I 1 + I 3 Videre har vi I 1 = V 1 /R 1 og I 3 = V 1 /R 3 Kirchhoffs strømlov kan derfor skrives om til: ( 1 I 2 = V 1 + 1 ) R 1 R 3 Dette kunne man også ha funnet ved å innse at R 1 og R 3 er parallellkoblet Kirchhoffs spenningslov gir V 0 R 2 I 2 V 1 = 0

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 2 Kombinasjon av de to siste ligningene gir V 1 = V 0 1 + R 2 /R 1 + R 2 /R 3 b) Bruk flest mulig metoder til å kontrollere at svaret ditt i forrige deloppgave henger på greip Først legger vi merke til at dimensjonene stemmer: Det er dimensjon volt på begge sider av likheten, og i nevneren har alle leddene samme dimensjon (de er alle dimensjonsløse i dette tilfellet) Hvis R 2 = 0 gir uttrykket V 1 = V 0, noe vi ser direkte fra figuren at må stemme Dette får vi også hvis R 1 = R 3 =, dvs åpen krets som gir null strøm og dermed null spenningsfall gjennom R 2 Hvis R 2 = får vi, som forventet, at V 1 = 0 Det får vi også hvis R 1 = 0 eller R 3 = 0 Hvis R 1 eller R 3 (men ikke begge) er uendelig, ser vi at deres betydning faller bort Det må være riktig, siden en uendelig resistans er det samme som å ta bort motstanden Oppgave 2 a) Gitt to ideelt ledende, konsentriske kuleskall med radius henholdsvis a og b Volumet mellom de to lederne (grått område på figuren) er først fylt med et rent dielektrisk medium med permittivitet ɛ Finn kapasitansen til en slik kondensator b a

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 3 Vi starter med å bestemme det elektriske feltet inne i kondensatoren Vi plasserer en fri ladning Q på innerlederen og en ladning Q på ytterlederen og bruker Gauss lov S D ds = Q inne i S Gaussflaten som vi velger oss er et kuleskall med radius r Grunnet symmetri har vi D = D(r)ˆr Gauss lov gir da D ds = 4πr 2 D(r) = Q Bruk av D(r) = ɛe(r) gir E(r) = Q 4πɛr 2 Vi velger ytterlederen som referansedeloppgave for potensialet slik at V (a) V (b) = V 0 = b a E(r)dr = Q b dr 4πɛ a r 2 = Q ( 1 4πɛ a 1 ) b Kapasitansen til kondensatoren er gitt av C = Q V 0 : C = 4πɛab b a b) Kontroller svaret i a) ved å vise at kapasitansen blir som for en parallellplatekondensator når sjiktet mellom lederne blir veldig tynt Hva blir kapasitansen til en enkelt ledende kule omgitt av materialet ɛ? Tips: Betrakt denne som kulekondensatoren i a) når b er mye større enn a Vi ser at når b a = d a kan vi skrive C ɛ A d, der A = 4πab er overflaten til kondensatoren og d er avstanden mellom platene Dette uttrykket er likt det for en parallellplatekondensator Betraker vi en enkelt ledende kule som grensetilfellet b i deloppgave a), har vi C = 4πɛa, for kapasitansen til en kule med radius a c) Vi bytter nå ut det dielektriske mediet mellom de ledende kuleskallene med

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 4 et delvis ledende medium med konduktivitet σ Finn resistansen målt mellom de ledende kuleskallene Vi kan ikke nå lenger bruke Gauss lov til å finne feltet slik som i a), siden det kan tenkes det er frie ladninger i området mellom kuleskallene I stedet bruker vi at strømmen I som går fra indre til ytre kuleskall kan relateres til strømtettheten og dermed det elektriske feltet: I = J(r)4πr 2 = σe(r)4πr 2 Altså er E(r) = I 4πσr 2 Potensialforskjellen mellom de to kuleskallene blir V (a) V (b) = b Dermed får vi resistansen R = a E(r)dr = V (a) V (b) I I b dr 4πσ a r 2 = = 1 ( 1 4πσ a 1 ) b I ( 1 4πσ a 1 ) b d) En ideell lederkule med radius a graves langt ned i jorda Hva blir jordingsresistansen målt fra lederkula? En varm sommerdag klager det elektriske anlegget over at jordingsresistansen ikke er som den burde være Hva kan årsaken være? Jordingsresistansen fås ved å ta b : R = 1 4πσa Jordingsresistansen skal være så liten som mulig Vi bør altså ha σ stor Hvis det har vært tørke i lang tid, kan det være for tørt i jorda, slik at σ blir for liten Oppgave 3 a) Gitt en toroide med N viklinger som fører strømmen I, se fig 2 Viklingene er tett og jevnt fordelt rundt toroiden Toroiden kan i hele oppgaven antas

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 5 I ˆφ a S Figur 2: En tettviklet toroide med N jevnt fordelte viklinger Toroiden er tynn og har tverrsnittsareal S å være tynn, slik at feltet er uniformt over tverrsnittsarealet S Finn H i toroiden Symmetrien betyr at H = H ˆφ, der H er uavhengig av φ Bruker Amperes lov på en sirkulær integrasjonskurve C i midten av toroiden, med radius a: H dl = H2πa = NI, som gir C H = NI 2πa ˆφ b) Dersom materialet i kjernen er lineært, isotropt og homogent, hva blir selvinduktansen? Svaret skal uttrykkes ved en parameter som karateriserer mediet (og som kan finnes i tabeller over materialer) Siden toroiden er tynn, kan vi si at tverrsnittsfluksen er BS = µhs Dermed blir den totale fluksen gjennom toroiden Φ = NBS = µsn 2 I 2πa Dette gir selvinduktansen L = Φ I = µsn 2 2πa = µ rµ 0 SN 2, 2πa

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 6 der den relative permeabiliteten µ r for materialet kan finnes i tabeller c) Dersom materialet i kjernen nå i stedet har en konstant, permanent magnetisering M = M ˆφ (uavhengig av feltet), finn B i toroiden Finn også selvinduktansen dersom den defineres som L = dφ/di, der Φ er den totale fluksen Vi kan fortsatt bruke Amperes lov til å finne H Utregningen og resultatet blir i dette tilfellet helt like som ovenfor, siden det bare er den frie strømmen som skal være med på høyre siden av loven Generelt har vi B = µ 0 (H + M) Siden nå H og M er i ˆφ-retning, blir også B det Vi får altså Total fluks: som gir B = B ˆφ, B = µ 0 (H + M) = µ 0NI 2πa + µ 0M (1) Φ = NBS = µ 0N 2 SI 2πa + µ 0 NSM, (2) L = dφ di = µ 0N 2 S 2πa, (3) som i forrige deloppgave Dette er fordi M er antatt å være konstant d) Vi bytter tilbake til et lineært, isotropt og homogent medium i kjernen Videre vikles det en spole til rundt toroiden (spole 2), men bare en vikling, se fig 3 Spole 2 kobles til et voltmeter med uendelig resistans Den første spolen (spole 1) kobles til en spenningskilde slik at den får strømmen I 1 = I 0 cos(ωt) Finn den induserte elektromotoriske spenningen i spole 2 Den gjensidige induktansen finner vi ved å anta en strøm I 1 i spole 1 og finne fluksen igjennom spole 2 Regningen blir ganske lik som i b), men siden spole 2 har bare en vikling fås L 12 = BS I 1 = µsn 2πa

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 7 Siden det ikke går strøm i sløyfe 2, blir totalt indusert emf i sløyfe 2 gitt av det som induseres pga strømmen i sløyfe 1 Den induserte emfen blir altså di 1 e 12 = L 12 dt = µωsni 0 sin(ωt) 2πa Dette er spenningen som måles på voltmeteret e) I forrige deloppgave, hvis vi antar at spole 1 har null resistans, hva må spenningen til kilden være? Spenningskilde V 1 + ~ I 1 V 2 + Voltmeter Figur 3: Det vikles en spole til rundt toroiden, med en enkelt vikling Her bruker vi at summen av emf er lik R 1 I 1 som i dette tilfellet er null Dvs V 1 + e 11 = 0, der e 11 er emfen som induseres i spole 1 pga strømmen i spole 1 Dette gir: V 1 = e 11 = L di 1 2 dt = µωsn I 0 sin(ωt) 2πa Oppgave 4 Figur 4 viser flukslinjer (dvs D-feltlinjer) for et elektrostatisk felt i et område i og omkring fem sylindre A, B, C, D, og E De forskjellige sylindrene kan beskrives på denne måten: 1 Leder (metall) uten netto ladning

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 8 2 Leder med netto ladning 3 Dielektrikum (isolator), uten frie ladninger 4 Vakuum, med romladning 5 Vakuum, med flateladning på overflaten Oppgaven går ut på å bestemme hvilken sylinder som er hva Hver av sylindrene A, B, C, D, og E, skal altså pares med en av beskrivelsene a), b), c), d), og e) Begrunn svaret A B C E D Figur 4: Elektrostatisk D-felt i et område med fem sylindre I ledere kan det ikke være et elektrostatisk felt B og C er derfor ledere Det kommer like mange flukslinjer inn til B som det går ut fra den Altså er den netto ladningen på B lik null C har positiv netto ladning, siden det går flere flukslinjer ut av C enn det som kommer inn D må være dielektrikumet, siden det ikke ender noen flukslinjer på den Vi ser forøvrig at flukslinjene forandrer retning i overflaten I A begynner flukslinjene i det indre av sylinderen, altså er det positiv romladning der I E ender det flukslinjer på overflaten Altså er det negativ overflateladning der Oppsummert:

Eksamen i FYS1120, Prøveeksamen 2017 Side 9 A d) B a) C b) D c) E e)