Tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 29 augusti, 2008, kl

Relevanta dokument
Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Lösningar till tentamen i EF för π3 och F3

Lösningar till tentamen i EF för π3 och F3

Lösningar till uppgifter i magnetostatik

Tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 17 december, 2007, kl. 8 13, lokal: Gasque

Lösningar till repetitionstentamen i EF för π3 och F3

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Tentamen ellära 92FY21 och 27

Gauss och Stokes analoga satser och fältsingulariteter: källor och virvlar Mats Persson

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 8 januari, 2007

1.1 Sfäriska koordinater

anslås på kursens hemsida Resultatet: anslås på kursens hemsida Granskning:

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

Tentamen för FYSIK (TFYA68), samt ELEKTROMAGNETISM (TFYA48, 9FY321)

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

Tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 24 augusti, 2009, kl

Tentamen för FYSIK (TFYA68), samt ELEKTROMAGNETISM (TFYA48, 9FY321)

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 8 juni 2011, Svar och lösningsförslag

Tentamen i EITF90 Ellära och elektronik, 28/8 2018

Tenta svar. E(r) = E(r)ˆr. Vi tillämpar Gauss sats på de tre områdena och väljer integrationsytan S till en sfär med radie r:

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 3/6 2017

Tentamen i elektromagnetisk fältteori för E

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 10/1 2015

Föreläsning 8. Ohms lag (Kap. 7.1) 7.1 i Griffiths

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 25/8 2015

Tentamen för FYSIK (TFYA68), samt ELEKTROMAGNETISM (TFYA48, 9FY321)

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

Tentamen ETE115 Ellära och elektronik för F och N,

Tentamen för FYSIK (TFYA68), samt ELEKTROMAGNETISM (TFYA48, 9FY321)

Lösningar till tentamen i Elektromagnetisk fältteori för Π3 & F3

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Tentamen ellära 92FY21 och 27

Teoretisk elektroteknik F, del 1

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Lösningar till seminarieuppgifter

1 Föreläsning IX, tillämpning av integral

6 Greens formel, Stokes sats och lite därtill

TMV151/TMV181. Fredrik Lindgren. 19 november 2013

TATA42: Tips inför tentan

13 Generaliserade dubbelintegraler

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för F1 och Q1 (1FA514)

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 4/1 2017

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

TATA42: Föreläsning 12 Rotationsarea, tyngdpunkter och Pappos-Guldins formler

Potentialteori Mats Persson

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Volum av rotationskroppar. Båglängd, rotationsytor. Adams 7.1, 7.2, 7.3

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

Rätt svar (1p): u A. α β A B. u B. b) (max 3p) I början har endast puck A rörelseenergi: E AB,i = 1 2 m Av 2 A = 1 2 m Au 2 A

Tentamen i Hållfasthetslära gkmpt, gkbd, gkbi, gkipi (4C1010, 4C1020, 4C1035, 4C1012) den 4 juni 2007

Lösningar till tentamen i Elektromagnetisk fältteori för Π3 & F3

TATA44 Lösningar 26/10/2012.

9. Bestämda integraler

Tillämpad Matematik I Övning 4

Preliminär version 2 juni 2014, reservation för fel. Tentamen i matematik. Kurs: MA152G Matematisk Analys MA123G Matematisk analys för ingenjörer

1 e x2. lim. x ln(1 + x) lim. 1 (1 x 2 + O(x 4 )) = lim. x 0 x 2 /2 + O(x 3 ) x 2 + O(x 4 ) = lim. 1 + O(x 2 ) = lim = x = arctan x 1

19 Integralkurvor, potentialer och kurvintegraler i R 2 och R 3

ORTONORMERADE BASER I PLAN (2D) OCH RUMMET (3D) ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM

Tentamen 1 i Matematik 1, HF dec 2016, kl. 8:00-12:00

Komplexa tal. j 2 = 1

Magnetfälten beskrivs av följande Maxwells ekvationer

ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM. LÄNGDEN AV EN VEKTOR. AVSTÅND MELLEN TVÅ PUNKTER. MITTPUNKT. TYNGDPUNKT. SFÄR OCH KLOT.

TATA44 ösningar till tentamen 13/01/ ) Paraboloiden z = 2 x 2 y 2 skär konen z = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 = 2 x 2 y 2. Med

Lösningsförslag till deltentamen i IM2601 Fasta tillståndets fysik. Teoridel

Kvalificeringstävling den 2 oktober 2007

N atom m tot. r = Z m atom

10. Tillämpningar av integraler

Magnetostatik, induktans (och induktion) kvalitativa frågor och lösningsmetodik

TATA42: Föreläsning 11 Kurvlängd, area och volym

Tentamensskrivning i Ellära: FK4005e Fredag, 11 juni 2010, kl 9:00-15:00 Uppgifter och Svar

SF1625 Envariabelanalys

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Lösning, Analytisk mekanik, 5C1121, Tentamen,

24 Integraler av masstyp

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

Vektoranalys I. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

Elektromagnetism. Kapitel , 18.4 (fram till ex 18.8)

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Användande av formler för balk på elastiskt underlag

Tavelpresentation grupp 5E

SF1625 Envariabelanalys

Vektorer. Avsnitt 1. Ange lägesvektorerna för de två väteatomerna på formen: r = x ˆx + y ˆx

1 Bestäm Théveninekvivalenten med avseende på nodparet a-b i nedanstående krets.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Trigonometri. 2 Godtyckliga trianglar och enhetscirkeln 2. 3 Triangelsatserna Areasatsen Sinussatsen Kosinussatsen...

Volym och dubbelintegraler över en rektangel

Frågor för tentamen EXTA50 Samhällsmätning, 9 hp, kl januari, 2015.

Tentamen ellära 92FY21 och 27

Dugga i elektromagnetism, sommarkurs (TFYA61)

Elektrodynamik. Elektrostatik. 4πε. eller. F q. ekv

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Generaliserade integraler

Transkript:

Tentmen i Elektromgnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 9 ugusti, 8, kl. 14. 19., lokl: MA9A Kursnsvrig lärre: Gerhrd Kristensson, tel. 45 6 & Anders Krlsson tel. 4 89. Tillåtn hjälpmedel: Formelsmling i Elektromgnetisk fältteori (låneexemplr finns tillhnd) smt klkyltor. Vrje uppgift ger mximlt 1 poäng. Betyget på tentn ges v (totl poäng)/1. Problem 1 Två perfekt lednde koncentrisk sfärer är seprerde med ett lednde mteril vrs konduktivitet vrierr som funktion den rdiell koordinten r enligt σ(r) = σ r Bestäm resistnsen melln sfärern om den inre sfären hr rdien och den yttre hr rdien. Problem z y - m x En mgnetisk dipol med dipolmomentet m = ẑm befinner sig i origo. En yt spänns upp v de två hlvcirklrn r = (cos φ, sin φ, ) där φ π och r = (cos ψ,, sin ψ) där ψ π, se figur. ) Bestäm flödet genom ytn genom tt nvänd den mgnetisk flödestätheten och en ytintegrl. b) Bestäm flödet genom ytn genom tt nvänd vektorpotentilen och en linjeintegrl. Ledning: Stokes sts säger tt om B = A så gäller ˆn B ds = A dl S där C är rndkurvn till ytn S. Du finner uttrycken för B och A i formelsmlingen. Du kn själv välj riktningen på flödet. C

Problem 3 En monokromtisk plnvåg utbreder sig i vkuum och hr det elektrisk fältet E(r, t) = ẑe sin(ωt k(x + y)/ ) ) Bestäm vågens utbredningsriktning. b) Bestäm vågens mgnetfält H(r, t). c) Bestäm den tidsberoende strålningsvektorn S(r, t). Problem 4 z f Q En tunn, cirkulär ring med rdie är jämt upplddd med totl lddning Q, se figur. Ringen roterr med konstnt rottionsfrekvens f kring en xel vinkelrät mot ringens pln (z-xeln) och genom dess centrum. Bestäm den uppkomn mgnetisk flödestätheten B längs ringens symmetrixel, dvs. B(z). Problem 5 I b z x En kvdrtisk sling med sid och resistns R ligger fixerd i x-z-plnet med en sidn prllell med en lång, rk ledre (orienterd längs z-xeln), som för likströmmen I. Avståndet melln ledren och slingn är b, se figur. Vid tiden t = klipps ledren v, och strömmen i ledren upphör brupt. Avklippningsförloppet kn pproximers med följnde funktion I, t < I(t) = I (1 3(t/α) + (t/α) 3 ), t < α, t α

3 där α är en liten tidsprmeter. ) Bestäm det mgnetisk flödet, Φ(t), genom slingn som funktion v tiden t. Välj positiv ytnorml till slingn som ˆn = ŷ. b) Bestäm den inducerde emk:n, V(t), i slingn som funktion v tiden t. c) Bestäm den inducerde strömmen, I Sling (t), (både till storlek och riktning) i slingn som funktion v tiden t. Slingns självinduktns får försumms. Problem 6 z l Q h Ett tunt, nålformt föremål med längd l hr blivit sttiskt lddt med den totl lddningen Q, så tt nålens linjelddningstäthet är konstnt. Nålen är horisontellt orienterd på ett vstånd h ovn ett jordt pln, se figur. Bestäm ttrktionskrften melln nål och jordpln som funktion v vståndet h. Lämplig integrler: dx (x + ) 3/ = x x +

Lösningr till tentmen i Elektromgnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 9 ugusti, 8, kl. 14. 19., lokl: MA9A Lösning problem 1 Mn kn lös uppgiften på två olik sätt. Antingen kn vi se området melln sfärern som seriekopplde lednde skl. Vrje skl hr en infinitesiml tjocklek dr och yt 4πr och får därmed en resistns dr = dr. Totl resistnsen ges v σ(r)4πr R = 1 σ(r)4πr dr = σ 4πr 3 dr = [ 1 ] = σ 4π r 3 σ 3πσ Det ndr sättet är tt nt en ström I melln sfärern. Strömmen är jämnt fördeld och ger strömtätheten J(r) = ˆr I 4πr Motsvrnde elektrisk fält ges v Ohms lg Spänningen melln sfärern ges v Resistnsen ges v V = I E(r) = J(r)/σ(r) = ˆr 4πσ r 3 E ˆr dr = R = V I I 4πσ = [ 1 ] = 3I r 3πσ 3 3πσ Lösning problem Formelsmlingen ger B = µ m ( cos θˆr + sin θˆθ) 4πr3 A = µ m r 4πr 3 = µ m sin θ 4πr ) Eftersom B = kn vi välj en godtycklig yt tt integrer över. Det är enklst tt integrer över ytn v en kvrtssfär: För denn gäller ˆn = ˆr. ˆφ

Ytintegrlen blir Φ = π π/ µ m 4π 3 cos θ sin θ dθ dφ = µ m 4π π π/ cos θ sin θ dθ = µ m 4 b) Linjeintegrlen kn skrivs Φ = C A dl = π A ˆφ dφ + π A ˆψ dψ Den ndr integrlen är noll eftersom A är vinkelrät mot ˆψ. Därmed fås Φ = µ m 4 Lösning problem 3 ) Det elektrisk fältet för en llmän linjärpolriserd plnvåg kn skrivs E = E sin(ωt k r + φ)ê där k är vågvektorn och utbredningsriktningen ges v ˆk = k/k. I vårt fll gäller k = k(1/, 1/, ) och därmed utbreder sig vågen i riktningen ˆk = (1/, 1/, ) b) Mgnetfältet ges v H = η 1 ˆk E = η 1 E (1/, 1/, ) (,, 1) där η = µ /η. Därmed H = η 1 E sin(ωt k r + φ)(1/, 1/, ) c) Den tidsberoende strålningsvektorn ges v S(r, t) = E(r, t) H(r, t) Dett ger S(r, t) = η 1 E (,, 1) (1/, 1/, ) sin (ωt k r + φ) = η 1 E sin (ωt k r + φ)(1/, 1/, ) S(r, t) = η 1 E sin (ωt k r + φ)(1/, 1/, )

3 Lösning problem 4 Vi bestämmer först strömmen som flyter i ringen då den roterr med vinkelhstigheten ω = πf. Lddningstätheten per längdenhet ρ l i ringen ges v vilket ger strömmen I ρ l = Q π I = ωρ l = Qω π = Qf Ett enklre sätt tt komm frm till uttrycket för strömmen I är tt noter tt under tidsperioden T = 1/f psserr lddningen Q en given punkt på ringen, dvs. I = Q/T = Qf. Biot-Svrts lg evluerd längs z-xeln, r = zẑ, är B(z) = µ 4π I L dr (zẑ r ) [zẑ r ] 3 Linjeelementet dr = ˆφ dφ och källpunkt r = ˆr c ger B(z) = µ 4π I π ˆφ (zẑ ˆr c ) dφ (z + ) 3/ Av symmetriskäl bidrr endst z-komponenten, dvs. B(z) = ẑ µ 4π I π dφ (z + ) 3/ = ẑ µ I (z + ) 3/ µ Qf B(z) = ẑ (z + ) 3/ Lösning problem 5 Mgnetisk flödestätheten från en lång, rk ledre ges v B = µ I(t) πr c ˆφ, där rc nger vståndet till ledren och I(t) strömmen i ledren. I x-z-plnet (x > ) är ˆφ = ŷ. I en punkt (x,, z), där x >, gäller då tt den mgnetisk flödestätheten är B(x,, z, t) = µ I(t)ŷ πx ) Flödet Φ(t) (välj ˆn = ŷ, som sedn bestämmer positiv omloppsriktning på den inducerde strömmen medurs i figuren), blir Φ(t) = Sling B ˆn ds = µ I(t) π +b b dx x = µ I(t) ln + b π b

4 b) Den inducerde emk:n ges v V(t) = dφ(t) dt = µ I (t) π ln + b b 3µ I t (1 t/α) ln + b, t α = πα b, för övrigt c) Den inducerde strömmen är I Sling (t) = V(t) 3µ I t + b R = (1 t/α) ln, t α πα R b, för övrigt och den är riktd medurs. Lösning problem 6 Nålens linjelddningstäthet ρ l = Q/l. Linjelddningens spegelbild ger upphov till en ttrktionskrft på nålen. Introducer ett koordintsystem så tt det jordde plnet smmnfller med plnet z =, och nålens centrum ges v punkten (,, h). Det elektrisk fältet i punkten r = xˆx + hẑ från spegelbilden blir (källpunkt: r = x ˆx hẑ) E(r) = ρ l 4πɛ Integrtion ger L r r r r 3 dl = Q l/ xˆx + hẑ (x ˆx hẑ) 4πɛ l l/ xˆx + hẑ (x ˆx hẑ) 3 dx l/ E(r) = E(x) = Q (x x )ˆx + hẑ 4πɛ l l/ ((x x ) + 4h dx 3/ ) { = Q 1 ˆx 4πɛ l ((x x ) + 4h ) ẑ x x 1/ h (x x ) + 4h { } = Q 1 ˆx 4πɛ l ((x + l/) + 4h ) ẑ x + l/ 1/ h (x + l/) + 4h { } Q 1 ˆx 4πɛ l ((x l/) + 4h ) ẑ x l/ 1/ h (x l/) + 4h } x =l/ x = l/ Den totl krften F (h) på nålen blir således (ˆx-komponenten försvinner v symmetriskäl och ẑ-komponentern smverkr) F (h) = Q l l/ l/ Q ẑ E(x) dx = 4πɛ hl l/ l/ = Q ẑ 4πɛ hl (x + l/) + 4h x=l/ x= l/ x + l/ (x + l/) + 4h = Q ẑ { } l + 4h 4πɛ hl h

5 Krften melln nålen och och dess spegelbild i plnet är vertiklt riktd. F (h) = Q ẑ { } l + 4h 4πɛ hl h Kontroll: Om nålen är kort i jämförelse med h, dvs. l h, så bör krften vr den melln två punktlddningr på vståndet h. Tylorutveckl kvdrtroten 1 + x = 1 + x/ + O(x ) Q ẑ Q ẑ { F (h) = h(1 + l /8h + O(l 4 /h 4 )) h } = 4πɛ hl 4πɛ 4h