Kap. 24 Kapasitans og dielektrika

Like dokumenter
Kap. 24 Kapasitans og dielektrika. Van de Graaf generator. Kap 24. Van de Graaf-generator i Gamle fysikk, 1952

Kap. 24 Kapasitans og dielektrika. Van de Graaff generator. Kap Van de Graaff-generator i Gamle fysikk, 1952

Kap. 24 Kapasitans og dielektrika

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

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

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

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

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

EKSAMEN i TFY4155/FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Overflateladningstetthet på metalloverflate

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

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.

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

Kap. 22. Gauss lov. Gauss lov skjematisk. Eks.1: Homogent ladd kule =Y&F Ex = LHL Vi skal se på: Fluksen til elektrisk felt E Gauss lov

Onsdag og fredag

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

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

Tirsdag r r

Eksamensoppgåve i TFY4155 ELEKTRISITET OG MAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Onsdag og fredag

UNIVERSITETET I OSLO

D i e l e ktri ku m (i s o l a s j o n s s to ff) L a d n i n g i e t e l e ktri s k fe l t. E l e ktri s ke fe l tl i n j e r

EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME OG FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

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

Eksamensoppgave i TFY4155 ELEKTRISITET OG MAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

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

Eksamensoppgave i TFY4155 ELEKTRISITET OG MAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 5 Elektrisitet og magnetisme

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

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

Eksamensoppgave i FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTRISITET OG MAGNETISME

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

Elektrisk potensial/potensiell energi

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

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

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

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

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

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

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?

Midtsemesterprøve fredag 11. mars kl

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 13. mai 2004

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

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Fredag 11. august 2006 kl

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

Den franske fysikeren Charles de Columb er opphavet til Colombs lov.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

FYS1120 Elektromagnetisme

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

FYS1120 Elektromagnetisme H10 Midtveiseksamen

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

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

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

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

EKSAMEN I EMNE TFY4180 FYSIKK Eksamensdato: Tirsdag 19. mai 2009 Eksamenstid: 09:00-13:00

FYS1120 Elektromagnetisme

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

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

Kap. 8 Bevegelsesmengde. Kollisjoner. Massesenter.

FY1003 Elektrisitet og magnetisme. Fagoversyn: Elektrostatikk, inkl. elektrisk strøm Magnetostatikk Elektrodynamikk

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIE 4010 ELEKTROMAGNETISME

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIF4005 FYSIKK Mandag 7. august 2000 kl. kl

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 9. E dl = 0. q i q j 4πε 0 r ij. U = i<j

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

Magnetostatikk Elektrodynamikk:

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

KONTINUASJONSEKSAMEN I EMNE SIF4005 FYSIKK For kjemi og materialteknologi Mandag 6. august 2001 kl. kl

Løsningsforslag til øving 4

Kap. 8 Bevegelsesmengde. Kollisjoner. Massesenter.

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

Løsningsforslag til øving 3

Kontinuasjonseksamensoppgave i TFY4120 Fysikk

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Kontinuasjonseksamen august 2010

NORGES TEKNISKNATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK EKSAMEN I EMNE TFY4120 FYSIKK. Fredag 9. desember 2005 Tid: kl

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Transkript:

Kap. 24 Kapasitans og dielektrika Grunnleggende forståelse for HVA en kondensator er, HVORFOR den virker som den gjør, hvilke BEGRENSINGER den har og hvorfor et DIELEKTRIKUM er påkrevd i en kondensator. Kapasitans Energi i kondensatorer og ladningssamlinger generelt Beskrive et dielektrikum: polarisering P, elektrisk flukstetthet D, relativ permittivitet ε r Gauss lov for dielektrika.

Små kondensatorer og store kondensatorer.. Fra Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/capacitor

Van de Graaff generator Y&F fig 22.27 Se også Wikipedia Oppgitt overslagsspenning kv 30 1 55 2 80 3 100 4 125 5,5 ved cm Coronautladning ved E max = 30 kv/cm på overflata V max = E max R = 300 kv Q max = V max C = 3,3 μc

Øving 3, opg. 1 Coronautladning ved > 30 kv/cm Fra http://en.wikipedia.org/wiki/corona_discharge Corona discharge on insulator string of a 500 kv overhead power line. Corona discharges represent a significant power loss for electric utilities.

Van de Graaff-generator i Gamle fysikk, 1952 Forskning i kjernefysikk. Opptil 2000 kv Kulediameter ca 60 cm høytrykkskammer rundt sett fra IT-bygg sør (Aud F1)

Jordkloden: Ladning og felt E = 130 V/m (nedover) C = 4πε 0 R = 0,71 mf V = ER = - 0,83 GV Q = CV = - 0,59 MC R = 6400 km

Kap. 24 Kapasitans og dielektrika Kondensatorer = to ledere som kan lagre ladning, +Q og -Q Kapasitans: C = Q/V (enhet F = farad) der V = V 2 - V 1 for to ledere (Type A) eller V = V - V for enkeltleder (Type B) Eks. 1: Enkeltkule: C = 4πε 0 R Eks. 2: Parallellplatekondensator Eks. 3: Kulekondensator Eks. 4: Sylinderkondensator (koakskabel) Seriekopling og parallellkopling Uttrykk for energi i kondensatorer og ladningssamlinger Dielektriske materialer: Elektrisk polarisering P Elektrisk flukstetthetsvektor: D Gauss lov for dielektrika.

Parallellplatekondensator C = ε 0 A/d Hvor stort areal for 1F kondensator hvis f.eks. d = 0,1 mm? A = C d/ ε 0 = 1 F 0,1 mm / 9 10-12 F/m = 11 km 2!!

Eks. 1: Enkeltkule (ladning q) Type B Eks. 3: Kulekondensator Type A = to kuleskall med ladning +Q og Q =Ex. 24.3 (Fig 24.5) C = 4πε 0 R C = 4πε 0 r b r a /(r b -r a ) 4πε 0 r b r a /r b = 4πε 0 r a når r b

Eks. 4: Sylinderkondensator = Y&F Ex. 24.4 = to sylinderskall med ladning +λ og λ (C/m) = koaksialkabel Type A Utregnes helt tilsvarende som kulekondensator. Fra labhefte 2016: 1) Finn E r 2) integrer og finn V(r) (Metode 2) ( Eks 9 Kap 23) 3) finn kapasitansen C = Q/V ab (Fig 24.6) Metode 1: 1 qi V ( r) 4 0 i ri 1 dq V ( r) 4 r Metode 2: V V E d l b a 0 b a

Kap. 24 Kapasitans og dielektrika Kondensatorer = to ledere som kan lagre ladning, +Q og -Q Kapasitans: C = Q/V (enhet F = farad) der V = V 2 - V 1 for to ledere (Type A) eller V = V - V for enkeltleder (Type B) Eks. 1: Enkeltkule: C = 4πε 0 R Eks. 2: Parallellplatekondensator C = ε 0 A/d Eks. 3: Kulekondensator C = 4πε 0 r b r a /(r b -r a ) 4πε 0 r a Eks. 4: Sylinderkondensator (koakskabel) Seriekopling: C = Σ C i ; parallellkopling: 1/C = Σ 1/C i Uttrykk for energi i kondensatorer Uttrykk for energi i ladningssamling Dielektriske materialer: Elektrisk polarisering P Elektrisk flukstetthetsvektor: D Gauss lov for dielektrika. når r b I dag Neste uke

Uttrykk kapasitans C = ε r ε 0 (geometrifaktor) korreksjonsfaktor i dielektrika (anna enn luft) Koaksialkondensator: C enhet: meter 2 r 0 ln r / r b a l Parallellplatekondensator: C r 0 A d Kulekondensator: C rb ra r 04 r r b 4 r når r r 0 a b a

i parallell Kondensatorer: i serie V + - C 1 Q 1 C 2 Q 2 V V + - C 1 +Q -Q C 2 +Q V 1 -Q V 2 V + - C Q V V + - C Q -Q V Q = Q 1 + Q 2 CV = C 1 V + C 2 V V lik for alle => C = C 1 + C 2 = Σ C i V = V 1 + V 2 Q/C = Q/C 1 + Q/C 2 Q lik for alle => 1/C = 1/C 1 + 1/C 2 = Σ 1/C i 2 kond: C = C 1 C 2 /(C 1 +C 2 )

Øking av avstand d i platekondensator: => C = ε 0 A/d avtar 1. Tilkopla batteri: V konstant Q = CV avtar E avtar U = ½ QV avtar (gis til batteriet) V +Q - Q d 2. Frakopla batteri: Q konstant E konstant V = Q/C øker U = ½ QV øker (tilføres fra ytre kraft) +Q - Q F = QE d

Elektrisk energi Uttrykt med ladning og potensial: U = ½ V Q = ½ C V 2 = ½ Q 2 /C (24.9) (utledet for kondenstor; all Q på samme V) U = ½ Σ V i Q i U = ½ V dq (ulike Q i på ulike V i ) (ulike dq på ulike V) (24.9C) (24.9C) Her beregnes energien U i ferdig oppbygd ladning

Kap 23, eks. 2. To ladninger A. Energiberegning under oppbygging: q 1 først, så q 2 : U = U 1 + U 2 = 0 + q 2 kq 1 /a q 2 først, så q 1 : U = U 2 + U 1 = 0 + q 1 kq 2 /a C. Ferdig oppbygd: ved potensial energi q 1 V 1 =kq 2 /a q 1 V 1 = q 1 kq 2 /a q 2 V 2 =kq 1 /a q 2 V 2 = q 2 kq 1 /a Sum: Σ q i V i = 2 q 2 kq 1 /a Regnet dobbelt! Konklusjon: C. Energi beregnet fra potensial i ferdig oppbygd ladning: U = ½ Σq i V i

Elektrisk energi Beregning for sum av punktladninger: A. Setter inn én og én ladning med energi for hver: U = q 1 0 + q 2 V 21 + q 3 (V 32 +V 31 ) + etc. B. Sum over parvise ladninger, men hvert par bare én gang: U = Σ i<j k Q i Q j /r ij C. Sum over ferdig oppbygd ladning U = ½ Σ V i Q i (24.9C) Anbefaler C. Øving 5, oppgave 2 a): Fire punktladninger

Aud R2: Hvor mye energi for å plassere inn mange 1C ladninger? A. Sette inn én og én ladning: 1V=0 U 1 =0 3V 31 +V 32 U 3 =(V 31 +V 32 )Q U 2 =V 21 Q 2 V 21 o.s.v.

Eks.6: Energi for homogent ladd kule (Y&F Fig 22.22) ~ 1/r Beregna i Eks.8 kap. 23: k Q r V ( r) 3 2 R R 2 2 inni kula 1 U ( ) d (24.9C) 2 V r q 1 3 kq V ( r) d 2 5 R OBS: dq = 0 utenfor kula Kulesymmetri: dτ = 4π r 2 dr = kuleareal tykkelse 2

Infinitesimale volumelement Kartesiske koord.: (dv =) dτ = dx dy dz Kulekoordinater: dτ = dr rdθ r sinθ dφ = sinθ dθ dφ r 2 dr Integrert over θ og φ: dτ = 0π sinθ dθ 2π 0 dφ r 2 dr = 2 2π r 2 dr Når kulesymmetri bruk alltid dette uttrykket dτ = 4π r 2 dr = kuleareal tykkelse Tilsvarende ved sylindersymmetri og sylinderkoordinater: dτ = 2π r dr l = omkrets tykkelse høyde

Energi U uttrykt med E-feltet areal A idealisert d volum = Ad U = ½ ε 0 E 2 Ad u = U/τ = ½ ε 0 E 2

Elektrisk energi 1. Uttrykt med ladning og potensial: U = ½ V dq (= ½ V Q = ½ C V 2 ) (24.9C) 2. Uttrykt med elektrisk felt: U = u dτ = ½ ε 0 E 2 dτ Hvor er energien lagra: I ladningene eller i det elektriske feltet? På platene eller mellom platene? To uttrykk for SAMME energi! (24.11B)

Eks. 7: Energi på lederkule med ladning q U fra E: U = ½ ε 0 E 2 dτ U fra V: U = ½ V dq = ½ V(R) q

Eks.6+7 U = ½ V(r) dq V(R) Eks.7: Ladd lederkule: U = ½ kq 2 /R V(R) Eks. 6: Homogent ladd kule: U = 3/5 kq 2 /R = 6/5 U ladd lederkule + + + + + + + ++ (20 % høyere enn ladd lederkule)

Eks.6B: Finn energi for homogent ladd kule fra elektrisk felt: U = u dτ = ½ ε 0 E 2 dτ (24.11B) = Heimelekse! Kjent svar fra Eks. 6: U = 3/5 kq 2 /R ~ 1/r (Y&F Fig 22.22)

Kap. 24 Kapasitans og dielektrika Gjennomgått: Kondensatorer = to ledere som kan ta opp ladning Kapasitans: C = Q/V (farad), med eksempler:» Enkeltkule: C = 4πε 0 r a» Parallellplate: C = ε 0 A/d» Kulekondensator: Seriekopling og parallellkopling Energi i kondensatorer Energi i ladningssamlinger U = ½ V Q = ½ C V 2 U = ½ V dq Videre: Dielektriske materialer: Elektrisk polarisering P =χ e ε 0 E Elektrisk flukstetthetsvektor: D = ε 0 E + P Gauss lov for dielektrika: Noen anvendelser/eksempler C = 4πε 0 r b r a /(r b -r a ) U = ½ ε 0 E 2 dτ - σ i p P σ i (fig 24.20)

Dielektrika og elektrisk polarisering Materialer: Vakuum Ledere Dielektrikum Mellom plater i kondensator brukes alltid et dielektrikum Kapasitansen øker da med en faktor ε r.

relativ permittivitet ε r ( ) ε r ε r

Kraftmoment på dipol: a/2 qe ( a/2) ( qe) qa E p E -qe a Χ qe p Kraftmoment dreier p til å bli (om mulig) parallell med E p

Ledere i ytre E-felt Ladninger forskyves, inntil E = 0 -σ σ E = 0 (fig 22.28a)

Dipolinnretting (polarisering) gir flateladning σ i (i = indusert ladning) -σ i σ i p P Definisjon: P = p/volum El. nøytralt innenfor her Observasjon: P = χ e ε 0 E

D = ε 0 E 0 P = χ e ε 0 E (1) E P D = ε 0 E + P (2) Resulterende E mindre enn E 0 P D = ε 0 E + P er uendra. Men P «spiser opp» noe av E

relativ permittivitet ε r ( ) ε r χ e = ε r -1 D = ε r ε 0 E P = χ e ε 0 E ε r χ e = ε r 0 2.18 0.00059 1.40 0.0548 4-9 1.1 5.7 1.25 15 1.28 41.5 2-5 79.4 2.1 309 Relative permittivity ε r Luft: 0,3 X 10 7

+σ + -σ i +σ i -σ - Gaussflate S 0 + - E=0 + + E 0 - - + Gaussflate + S 1 P - - E=0 + E 1 - + - + - + -

Gauss lov: Gauss lov for fri ladning Q: eller D d A Q E d A Q / P d A Q Gauss lov for indusert ladning Q i : (11) (12) i Mest praktiske Gauss lov for totalladning Q tot : (10) I alle tidligere formler kan ε 0 E erstattes av ε r ε 0 E =ε E = D og la Q = fri ladning Eks.: Gauss lov (ovenfor) Eks.: Coulombs lov: E Q tot = Q + Q i 1 Q 1 r E 4 0 r 4 r 0 1 Q D 2 r 4 Q r 2 2 r r

Kap. 24. Dielektrika og polarisering. Oppsummering så langt Dielektriske materialer: Elektrisk polarisering = dipoltetthet: P = χ e ε 0 E der χ e er elektrisk susceptibilitet. Relativ permittivitet ε r = χ e + 1 (dielektrisitetskonstant) Elektrisk flukstetthetsvektor: D = ε 0 E + P = ε r ε 0 E (forskyvningsvektor) D og P ikke presentert i Y&F. Kort sammenfatta i Notat 1 Øving 7 sentral!

Eks. 8 Parallellplatekondensator uten og med dielektrikum A. Frakopla batteri: Konstant: σ = D = Q/A Avtar: V 1 = V 0 /ε r Øker: C 1 = Q/V 1 = ε r C 0 = ε r ε 0 A/d Energi: U 1 = ½ QV 1 avtar +Q -Q B. Tilkopla batteri: Konstant: V 1 = V 0 Øker: σ 1 = D 1 = Q 1 /A = ε r D 0 Øker: C 1 = Q/V 1 = ε r C 0 = ε r ε 0 A/d Energi: U 1 = ½ QV 1 øker (tilføres fra batteriet) V

Gauss lov Kap. 22 Kap. 24 Integralform: Differensialform: 1 E E da q 0 S dive 1 0 D da q = elektrisk fluks divd divd divergensen til D div D D [ / x, / y, / z] D

divergens = kilde = pos.ladning = kilde = E-felt div D > 0 div D = 0 Uttrykk divergens, se formelark

Kap. 24: Oppsummering 1 Kondensatorer og kapasitans Kondensatorer = to ledere som kan ta opp ladning Kapasitans: C = Q/V (farad) Enkeltkulekondensator: C = 4πε 0 R (Eks. 1) Parallellplatekondensator: C = ε 0 A/d (Eks. 2) Kule(skall)kondensator: C = 4πε 0 r a r b (r b -r a ) (Eks. 3) Sylinderkondensator (koakskabel): C = 2πε 0 /lnr b /r a (Eks. 4) Parallellkopling: C = C 1 + C 2 Seriekopling: 1/C = 1/C 1 + 1/C 2 Energi ved ladning og potensial: U = ½ V dq Energi ved elektrisk felt: u = ½ ε 0 E 2 dvs. U = ½ ε 0 E 2 dτ For kondensator gir dette: U = ½ VQ = ½ CV 2 = ½ Q 2 /C

Kap. 24: Oppsummering 2 Dielektrika og polarisering. Mer utfyllende i Notat1: Dielektriske materialer. Dielektriske materialer: Elektrisk polarisering = dipoltetthet: P = χ e ε 0 E der χ e er elektrisk susceptibilitet. Relativ permittivitet ε r = χ e + 1 (dielektrisitetskonstant) Elektrisk flukstetthetsvektor: D = ε 0 E + P = ε r ε 0 E (forskyvningsvektor) Elektrisk fluks: D d A Gauss lov for fri ladning Q = Q tot - Q i : d D d A Q eller P d / A Q Gauss lov for indusert ladning Q i : i Gauss lov for totalladning Q tot : E A Q I alle tidligere formler kan ε 0 E erstattes av ε r ε 0 E =ε E = D med Q = fri ladning Kondensator med dielektrikum: Alle ε 0 erstattes av ε r ε 0

Uttrykk kapasitans C = ε r ε 0 (geometrifaktor) enhet: meter Koaksialkondensator: C r 0 2 ln r / r b a l Parallellplatekondensator: C r 0 A d Kulekondensator: C rb ra r 04 r r b 4 r når r r 0 a b a

Dielektrika i kondensatorer: 1. Kapasitansen øker med faktor ε r. 2. Overslag ( breakdown, «dielectric strength») ved høyere grense. Høyere max spenning! ε r Dielectric strength Luft: 3 X 10 6

Spesielle dielektrika. (ikke pensum) Piezoelektriske materialer: Mekanisk strekk eller trykk polarisasjon P (eller motsatt:) E-felt P-felt deformasjon Bruk: Kvartskrystaller, mikrofoner, pickup (platespillere vinyl ) Ferroelektriske materialer (dipol-electrets): Materialer med permanent polarisasjon P (tilsvarer permanente magneter)

Skjematisk om E, P og D: Dielektrisk materiale i homogent E-felt ε r P = χ e ε 0 E ε 0 E P χ e ε r = χ e +1 1/3 4/3 1 2 3 4 D = ε 0 E + P endres ikke (ingen frie ladn. i dielektriet) (# flukslinjer P ) = χ e (# flukslinjer ε 0 E)

Skjematisk om E, P og D: Dielektrisk materiale i homogent E-felt D = ε 0 E + 0 = D = ε 0 E + P = D = ε 0 E + 0 avtar øker D = 1 ε 0 E = D = ε r ε 0 E = D = 1 ε 0 E P = χ e ε 0 E der E er inni dielektriket, ikke ytre

Øking av avstand d i platekondensator: => C = ε 0 A/d avtar 1. Tilkopla batteri: V konstant Q = CV avtar E avtar U = ½ QV avtar (gis til batteriet) V +Q - Q d 2. Frakopla batteri: Q konstant V = Q/C øker E konstant U = ½ QV øker (tilføres fra ytre kraft) +Q - Q F = QE d Beregning fra arbeid: ΔU = F Δd = QE Δd

Flervalgsoppgaver fra «Thinking physics»: http://home.phys.ntnu.no/brukdef/undervisni ng/tfy4155/diverse/thinkingphysics/ Svar: a) Konstant ladning Q Lavere kapasitans C = ε 0 A/d => Høyere spenning V = Q/C => Mer energi U = ½ QV! eller: Konstant ladning Q => Konstant felt E = σ/ε 0 => Konstant energitetthet u = ½ ε 0 E 2 => U = u (volum) øker! V = E d øker også

Svar: a) Konstant ladning Q Lavere ε r =>Lavere kapasitans C = ε r ε 0 A/d => Høyere spenning V = Q/C => Mer energi U = ½ QV! eller: Konstant ladning Q Lavere ε r => Økende felt E = σ/ε r ε 0 => Økende energitetthet u = ½ ε 0 E 2 V = E d øker også

Noen av Støvnengs flervalgsoppgaver E uendret.