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

Like dokumenter
TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 12.

E, B. q m. TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. ving 12.

Onsdag isolator => I=0

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

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

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

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

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

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

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

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

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

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

Onsdag og fredag

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 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

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

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 8 Elektrisitet og magnetisme. 1. SI-enheten til magnetisk flukstetthet er tesla, som er ekvivalent med A. E.

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

Løsningsforslag til øving 5

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

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

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

Øving 13. Induksjon. Forskyvningsstrøm. Vekselstrømskretser.

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

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

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

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

Onsdag og fredag

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

Sammendrag, uke 13 (30. mars)

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til øving 3

UNIVERSITETET I TROMSØ. EKSAMENSOPPGAVE i FYS-1002

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

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

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

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

Elektrisk potensial/potensiell energi

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

Løsningsforslag til øving 4

Onsdag og fredag

Løsningsforslag til øving 4

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

Løsningsforslag til øving 4

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

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

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

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

Løsningsforslag til øving 13

Øving 15. H j B j M j

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

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

Elektrisk og Magnetisk felt

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

Tirsdag r r

Onsdag og fredag

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1002

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

og P (P) 60 = V 2 R 60

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

Løsningsforslag til øving 2

INF L4: Utfordringer ved RF kretsdesign

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME OG FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Mandag Institutt for fysikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektrisitet og magnetisme Vår 2007, uke 4

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 10 Elektrisitet og magnetisme

Løsningsforslag til øving

Laboratorieøving 1 i TFE Kapasitans

Oppsummering om kretser med R, L og C FYS1120

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

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

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

Kvadrupol massespektrometer

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

Midtsemesterprøve torsdag 7. mai 2009 kl

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

Løsningsforslag til ukeoppgave 10

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

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

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?

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

Kap. 27 Magnetisk felt og magnetiske krefter. Magnetiske monopoler fins ikke: Kap. 27 Kjapp historie. Kap. 27 Magnetisme. Kortfatta målsetning:

Øving 4. a) Verifiser at en transversal bølge som forplanter seg langs x-aksen med utsving D med komponentene

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

Løsningsforslag til prøve i fysikk

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 10.

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

Transkript:

nstitutt for fsikk, NTNU TFY4155/FY1003: Elektromagnetisme Vår 2009 Øving 11 Veiledning: Mandag 23. mars og fredag 27. mars nnleveringsfrist: Fredag 27. mars Oppgave 1 nnledning (dvs vi rekapitulerer fra forelesningen 11. mars): For en likestrømkrets med spenningskilde V 0 som leverer en strøm 0 vil kretsens totale resistans være gitt ved Ohms lov, = V 0 / 0. For en vekselstrømkrets med spenningskilde V 0 cos ωt som leverer en strøm 0 cos(ωt α) kan vi på tilsvarende måte definere en generalisert motstand, eller impedans Z, for kretsen: Z = V 0 / 0. Vi holder her muligheten åpen for at strømmen kan være faseforskjøvet med α i forhold til den påtrkte spenningen. Vi skal også se i eksemplene nedenfor at strømamplituden 0 kan bli avhengig av (vinkel-)frekvensen ω, slik at impedansen også kan bli frekvensavhengig, dvs Z = Z(ω). forelesningene regnet vi ut at med en spenningskilde V 0 cosωt koblet til en enkel resistans blir strømmen 0 cosωt, med amplitude 0 = V 0 /. Dermed blir impedansen til en motstand simpelthen Z =, og det er ingen faseforskjell mellom påtrkt spenning og resulterende strøm, dvs α = 0. neste omgang koblet vi spenningskilden E(t) = V 0 cosωt til en kapasitans C og fant, med utgangspunkt i at C = Q/V C (der ±Q er ladningen på kondensatoren og V C er spenningsfallet over kondensatoren), at strømmen i kretsen blir (t) = 0 cos(ωt α C ) med amplitude 0 = 0 (ω) = V 0 ωc og α C = π/2. Dermed blir impedansen til en kondensator C Z C = 1/ωC, med faseforskvning α C = π/2. denne oppgaven skal vi studere en vekselspenningskilde E(t) = V 0 cosωt som er koblet til en parallellkobling av en kapasitans C og en motstand : C Q C 1

Bruk Kirchhoffs regler til å bestemme strømstrkene (t), C (t) og (t). Vis at den totale strømmen som leveres av spenningskilden kan skrives på formen med amplitude og fasevinkel (t) = 0 cos(ωt α) 0 = V 0 1 + (ωc) 2 α = arctan(ωc) Tips: Bentt cos(a ± b) = cosa cosb sin a sin b. Anta at spenningskilden har amplitude V 0 = 1.0 V og frekvens f = 1.0 MHz, og at = 10 Ω og C = 16 nf. Bestem tallverdier for 0 og α. Skisser E(t), (t), (t) og C (t) for t mellom 0 og T = 1/f. (Svar: 0 = 0.14 A, α = 45 ) Med de gitte tallverdiene for V 0, og C, skisser funksjonene 0 (ω), α(ω) og kretsens impedans Z(ω) = V 0 / 0 (ω) for vinkelfrekvenser mellom 10 5 og 10 9 s 1. Tips: Bruk logaritmisk skala langs ω-aksen, dvs skisser 0 og α for vinkelfrekvenser slik at log ω varierer mellom verdiene 5 og 9. Bruk gjerne octave eller matlab til å plotte funksjonene i denne oppgaven. (Eller et annet egnet plotteprogram, for eksempel gnuplot.) Oppgave 2 Partikler med masse m, ladning q og hastighet v kommer inn i et område med krsset elektrisk og magnetisk felt, E og B, som vist i figuren. E har retning nedover, B har retning inn i papirplanet. området med utstrekning L antar vi at feltene er homogene. Utenfor dette området er E = B = 0. detektor q m v E, B L D Du holder den elektriske feltstrken E konstant gjennom hele eksperimentet. det første eksperimentet setter du B = 0 og registrerer at partiklene avbøes og treffer detektoren i en 2

avstand ovenfor senterlinjen (som er stiplet). Deretter gjentar du forsøket, men denne gangen justerer du verdien av B inntil partiklene ikke bøes av. Vis at forholdet mellom partiklenes ladning og masse er proporsjonal med avbøningen (når B = 0), dvs q m = a, og finn størrelsen a uttrkt ved E, B, D og L. Oppgitt: F = q (E + v B) (Lorentzkraften) På denne måten analserte J. J. Thomson i 1897 såkalte katodestråler og påviste at disse bestod av en bestemt tpe partikler med negativ ladning. Dette er nettopp elektroner som emitteres fra metallet i katoden. Thomson var altså den første som bestemte forholdet e/m e. Thomson fant det samme forholdet uavhengig av hva slags metall han brukte i katoden og kunne konkludere med at de observerte partiklene måtte være en fundamental ingrediens i naturen. Fasit: a = E/ ( B 2 ( DL + L 2 /2 )) Oppgave 3 L = 250 cm ionekilde P minst 1 cm S 1 S 2 _ + V r 79 B Figuren viser et massespektrometer. En ionekilde emitterer ladete partikler. Åpningene S 1 og S 2 sørger for at en godt samlet (kollimert) partikkelstråle kommer inn i området med magnetfelt B (som har retning inn i papirplanet). Mellom S 1 og S 2 har vi en spenningsforskjell V som akselererer ionene. Hastigheten ved S 2 er me større enn ved S 1, slik at vi kan sette v = 0 ved S 1. onene bøes i alt 180 av magnetfeltet og detekteres på en fotografisk plate P. Spektrometeret skal brukes til å separere bromisotopene 79 Br og 81 Br. Kilden sender ut disse isotopene i form av ioner med ladning e. Anta at isotopene har atommasser henholdsvis 79m p og 81m p. 3

På den fotografiske platen ønskes isotopenes treffpunkt adskilt med en avstand på minst 1.0 cm. Samtidig må vi sørge for at begge isotopenes treffpunkt havner på den fotografiske platen, som har en bredde L = 250 cm, målt fra der ionene kommer inn i magnetfeltet. Med disse betingelsene, hva blir øvre og nedre grense for strken på magnetfeltet B når akselerasjonsspenningen V er 400 V? Oppgitt: e = 1.6 10 19 C, m p = 1.67 10 27 kg [Ett av svarene: B min = 21 mt] Oppgave 4 Ei sirkulær strømsløfe med radius fører en elektrisk strøm. Strømsløfa ligger i planet med sentrum i origo. etningen på er mot klokka hvis vi har positiv z-akse ut av papirplanet. Vi skal i denne oppgaven bestemme det resulterende magnetfeltet B(0, 0, z) = B(z) på smmetriaksen til strømsløfa (dvs på z-aksen). sett ned langs z aksen: z a) Hvorfor er - og -komponenten av B(z) lik null? (Tips: Smmetri.) b) hvilken retning peker B(z) for positive og negative verdier av z? c) Bruk Biot Savarts lov, db = µ 0 dl ˆr (= µ 0 dl r ) 4π r 2 4π r 3 til å vise at B(z) = µ 0 2 2 (z 2 + 2 ) 3/2 d) Bestem B(z) i stor avstand fra strømsløfa (dvs: til ledende orden når z ) og uttrkk svaret ved hjelp av sløfas magnetiske dipolmoment m = m. Sammenlign dette uttrkket med det elektriske feltet i stor avstand fra en elektrisk dipol, uttrkt ved det elektriske dipolmomentet p (se øving 4). 4

Litt om magnetisk dipolmoment (forelest 18.03.09): Magnetisk dipolmoment m for ei plan, lukket strømsløfe som omslutter et areal A er pr definisjon m = A = A ˆn der ˆn er enhetsvektoren normalt til den plane omsluttede flaten. Magnetisk dipolmoment er altså en vektor (på samme måte som elektrisk dipolmoment p). Positiv retning på m er definert ved hjelp av hørehåndsregelen: Fire fingre i strømmens retning gir tommelen i samme retning som m. Noen kommentarer: Merk at ulike lærebøker bruker litt ulik notasjon her: Noen kaller det magnetisk dipolmoment, andre bare magnetisk moment. Noen bruker smbolet µ, andre bruker m. Uansett, det er samme fsiske størrelse det dreier seg om! Vi velger å bruke smbolet m og kaller det magnetisk dipolmoment, i tråd med f.eks. den norske boka (LHL) og Griffiths. (TM bruker µ, det samme gjør Young og Freedman.) likhet med elektrisk dipolmoment har også magnetisk dipolmoment en mer generell definisjon enn den vi innførte ovenfor. (Verden består jo tross alt ikke bare av parvise punktladninger med motsatt fortegn og plane strømsløfer...!) La oss repetere den generelle definisjonen av elektrisk dipolmoment: Har vi en romladningstetthet ρ(r), er elektrisk dipolmoment p pr definisjon p = rρ(r) d 3 r Og har vi en strømfordeling gitt ved strømtettheten j(r), er magnetisk dipolmoment m pr definisjon m = 1 r j(r) d 3 r 2 Her går integralet over hele rommet, dvs der henholdsvis ρ og j er forskjellig fra null. For spesialtilfellene som vi stort sett ser på i dette kurset, nemlig parvise punktladninger ±q i innbrdes avstand beskrevet ved vektoren d, og plane strømsløfer med stasjonær strøm som omslutter et areal beskrevet ved vektoren (noen ganger kalt vektorarealet ) A = A ˆn, reduserer disse generelle definisjonene seg nettopp til p = qd og m = A 5