Formelsamling till Elektromagnetisk

Relevanta dokument
Förståelsefrågorna besvaras genom att markera en av rutorna efter varje påstående till höger. En och endast en ruta på varje rad skall markeras.

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

Dugga i elektromagnetism, sommarkurs (TFYA61)

Fysik TFYA68. Föreläsning 5/14

Fysik TFYA68. Föreläsning 2/14

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

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

Elektriska och magnetiska fält Elektromagnetiska vågor

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

Rep. Kap. 27 som behandlade kraften på en laddningar från ett B-fält.

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

18. Sammanfattning Ursprung och form av fältena Elektrostatik Kraft, fält och potential 2 21, (18.3)

18. Sammanfattning Kraft, fält och potential. Krafter F är fysikaliskt mätbara storheter Elfält beror på kraften som F = Eq (18.

18. Sammanfattning. Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 18.1

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

FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

Fysik TFYA68 (9FY321) Föreläsning 6/15

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

Fysik TFYA86. Föreläsning 8/11

Repetition kapitel 21

Övningsuppgifter/repetition inom elektromagnetism + ljus (OBS: ej fullständig)

Sensorer och elektronik. Grundläggande ellära

Maxwell insåg att dessa ekvationer inte var kompletta!! Kontinutetsekvationen. J = ρ

OBS!

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

Föreläsning 4 1. Den andra av Maxwells ekvationer i elektrostatiken

Elektromagnetiska falt och Maxwells ekavtioner

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

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

OBS!

Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som ska lämnas in

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

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

Tentamen i El- och vågrörelselära,

r 2 Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

OBS!

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 8 januari, 2007

1. q = -Q 2. q = 0 3. q = +Q 4. 0 < q < +Q

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 23: Faradays lag

Bra tabell i ert formelblad

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

OBS!

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

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

r 2 C Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

Lösningar till seminarieuppgifter

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

Föreläsning 2 1. Till varje punkt i rummet tilldelas en vektor. ( ) = T ( x, y, z,t) ( ) = v x

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 16 juni 2015, kl 9:00-14:00

Tentamen ellära 92FY21 och 27

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 17 juni 2014, kl 9:00-14:00

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Magnetiska fält. Magnetiska fält. Magnetiska fält. Magnetiska fält. Två strömförande ledningar kraftpåverkar varandra!

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

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

OBS!

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

Magnetostatik, induktans (och induktion) kvalitativa frågor och lösningsmetodik

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges direkt på tesen som skall lämnas in.

Lösningar till tentamen i Elektromagnetisk fältteori för Π3 & F3

OBS! Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

Vecka 2 ELEKTRISK POTENTIAL OCH KAPACITANS (HRW 24-25) Inlärningsmål

OBS!

Integraler av vektorfält Mats Persson

OBS!

14. Potentialer och fält

De tre svarsalternativen (från vänster till höger) är poäng. Oriktigt svar ger -0.2 poäng. Vet ej är neutralt och ger 0 poäng.

OBS!

Hur elektromagnetiska vågor uppstår. Elektromagnetiska vågor (Kap. 32) Det elektromagnetiska spektrumet

Vågrörelselära och optik

OBS!

OBS!

VIKTIGA TILLÄMPNINGAR AV GRUNDLÄGGANDE BEGREPP

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

Tentamen för FYSIK (TFYA68)

14. Potentialer och fält

OBS!

Tentamen i El- och vågrörelselära,

3. Lösning av elektrostatiska problem för dielektrika

Vad betyder det att? E-fältet riktat åt det håll V minskar snabbast

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

OBS!

Poissons ekvation och potentialteori Mats Persson

Magnetism. Beskriver hur magneter med konstanta magnetfält, t.ex. permanentmagneter, växelverkar med varandra och med externa magnetfält.

Integraler av vektorfalt. Exempel: En partikel ror sig langs en kurva r( ) under inverkan av en kraft F(r). Vi vill

ANDREAS REJBRAND Elektromagnetism Coulombs lag och Maxwells första ekvation

Facit till rekommenderade övningar:

Elektromagnetism. Kapitel , 18.4 (fram till ex 18.8)

Transkript:

Formelsamling till Elektromagnetisk fältteori Lars-Göran Westerberg Avdelningen för strömningslära Luleå tekniska universitet 13 januari 2009 ammanfattning Den här formelsamlingen utgör tillsammans med Physics Handbook och Beta tillåtna hjälpmedel i kursen. Komplementerande anteckningar får göras i denna formelsamling. Kapitel i respektive bok som är av speciellt intresse för denna kurs är (notera att beroende på utgåva, kanske inte här angivet kapitelnummer motsvarar just det du har i din version) Physics Handbook #3 Electromagnetic Theory: Innehåller en hel del matnyttigt som storheter, symboler och enheter. Detta kapitel är även bra komplement till formlerna i detta dokument. #M-9 Vector Analysis: Diverse nyttig vektoralgebra. #M-10 pecial Coordinate ystems: Transformation mellan de olika koordinatsystemen och med grad, div och curl för respektive koordinatsystem. Innehållet i M-9 och M-10 finns även i BETA, se nedan. BETA - Mathematics Handbook #7.2 Tables of Indefinite Integrals: Lösningar till integraler som dyker upp i kursen hittar du här. #11.2 Vector Fields: Innehåller allt som behövs i form av vektoralgebra för olika koordinatsystem, yt- och volymselement, enhetsvektorer, grad, div, curl mm. 1

1 Elektrostatik Här behandlas elektrostatiska fält i vakum, ledande material och dielektrika. Elektrostatik innebär att tidsberoende inte tas i beaktande. 1.1 Elektrostatiska fält i vakum I vakum är elektriska laddningar fria, till skillnad från i dielektriska material där förekommande laddningar antingen är fria eller bundna i materialet. 1.1.1 Definition av R, R, ˆR R = r r R = r r ˆR = R R (1a) (1b) (1c) Här är r ortsvektorn till observationspunkten, medan r är motsvarande vektor till källan. 1.1.2 E-fält Det elektriska fältet till följd av följande laddningsfördelningar är N stycken punktladdningar E(r) = N q i ˆRi 4πɛ 0 Ri 2 i=1 (2) Linjeladdning Ytladdning E(r) = 1 4πɛ 0 L E(r) = 1 4πɛ 0 ρ L (r ) ˆR R 2 dl (3) ρ s (r ) ˆR R 2 da (4) 2

Volymsladdning E(r) = 1 ρ v (r ) ˆR 4πɛ 0 R 2 dv. (5) V Här är dl, da och dv respektive linje-, yt- och volymselemnt. ρ L, ρ s och ρ v är laddningsdensiteten per längdenhet, areaenhet och volymsenhet. Respektive laddningsfördelning kan då skrivas som Linjeladdning Ytladdning Volymsladdning dq = ρ L dl (6) dq = ρ s da (7) dq = ρ v dv. (8) 1.1.3 Gauss sats Gauss sats säger att det totala elektriska flödet genom en sluten yta, är lika med den totala laddningen som innesluts av den ytan E da = Q in. (9) ɛ 0 Här är Q in den av ytan totala inneslutna laddningen, och ɛ 0 permitiviteten i vakum. Genom att integrera (9) och applicera Gauss divergenssats fås vilket är en av Maxwell s ekvationer. 1.1.4 Kraft på laddning i E-fält E = ρ v ɛ 0, (10) Kraften F på en laddning q med positionen r i ett elektriskt fält E är F = qe(r) (11) 3

1.1.5 Elektriska potentialen V V är definierad så att E = V. (12) Potentialen i en godtycklig punkt är potentialskillnaden mellan den punkten och en vald punkt där potentialen är noll. Klassiska randvillkor som används är att V = 0 i jord och oändligt långt bort från en laddningsfördelning. 1.1.6 Elektrisk dipol En elektrisk dipol formeras när två punktladdningar av samma styrka, men med olika tecken, separeras av ett litet avstånd. Potentialen för en dipol vars centrum är lokaliserad i r, är där V (r) = p (r r ) 4πɛ 0 r r 3, (13) p = Qd (14) är dipol momentet. d innehåller riktningen och beloppet på avståndet mellan laddningarna. Q är laddningen som vanligt. 1.2 Elektrostatiska fält och ledande material Beroende på om materialet är en ideal ledare eller ett dielektriskt material, förekommer olika fält på ytorna och inuti materialet. Inuti en ideal ledare kan det inte finnas något elektrostatiskt fält då alla laddningar transporteras till ytan. Detta ger E(r) = 0 V (r) = konstant (15a) (15b) inuti ledaren. På dess yta gäller då 4

ˆt E(r) = 0 ˆn E(r) = ρ s ɛ 0 V (r) = konstant. (16a) (16b) (16c) Här är ˆt enhetsvektorn i tangentialriktningen och ˆn den från ledaren utåtpekande normalvektorn. 1.3 Elektrostatiska fält och dielektriska material När ett elektriskt fält E appliceras på dielektriska material som t.ex. plaster av olika slag, förskjuts de positiva laddningarna i materialet längs E och de negativa laddningarna i motsatt riktning. Det bildas alltså en dipol till följd av förskjutningen hos laddningarna, och materialet är då polariserat. 1.3.1 Polariseringsfältet P Polariseringsfältet P(r) definieras m.h.a. dipolmomentet p som dp = P(r)dv, (17) där dp är det totala dipolmomentet i en liten volym dv med positionen r. Polarisationsfältet ger upphov till bundna polarisationsladdningsdensiteter ρ ps och ρ pv enligt ρ ps = ˆn P ρ pv = P. (18a) (18b) ˆn är den från det polariserande materialet utåtpekande enhetsnormalvektorn. 5

1.3.2 Förskjutningsfältet D Förskjutningsfältet uppkommer av fria laddningar. ambanden mellan D, E och P är D = ɛ 0 E + P P = ɛ 0 χ e E ɛ r = 1 + χ e ɛ = ɛ 0 ɛ r D = ɛe. (19a) (19b) (19c) (19d) (19e) χ e är den elektriska susceptibiliteten för materialet, vilket är ett mått på hur känsligt materialet är för ett elektriskt fält. ɛ r är den dielektriska konstanten (eller relativa permittiviteten), alltså kvoten mellan permittiviteten hos dielektrikat och ɛ 0 (permittiviteten i vakum). 1.3.3 Gauss lag i dielektriska material Principen är den samma som för Gauss lag i vakum (c.f. 1.1.3). Här fås dock D-fältet fram, vilket orsakas av de fria laddningarna. D = ρ vf D da = Q f, (20) där Q f är den i ytan inneslutna fria laddningen och ρ vf den fria volymsladdningen. 1.3.4 Randvillkor För E- och D-fälten gäller E 1t = E 2t ˆn 2 (D 1 D 2 ) = ˆn 2 (ɛ 1 E 1 ɛ 2 E 2 ) = ρ s, (21a) (21b) 6

där ρ s är den fria laddningsdensiteten på randen och ˆn 2 den enhetsnormalvektor som pekar bort från material 2. 1.3.5 trömmar trömmen (i ampere) genom an given yta är den elektriska laddningen som passerar genom ytan per tidsenhet, i.e. I = dq dt. (22) trömdensiteten J vid en given punkt är strömmen genom normlariktningen av ytan för aktuell punkt. ρ v t + J = 0 Kontinuitetsekvationen J 1n = J 2n R.V. i normalriktningen J 1t σ 1 = J 2t σ 2 R.V. i tangentialriktningen J = σe. (23a) (23b) (23c) (23d) σ är konduktiviteten hos ledaren. (23d) benämns som ledningsström, även Ohm s lag. 1.3.6 Resistans R = ρ cl (24) ρ c är resistiviteten (1/σ) hos ledaren, l längden och tvärsnittsarean. 1.4 Magnetfält i vakuum Liksom för elektrostatiska fält, uppstår olika typer av magnetiska fält beroende på omgivningen i fråga; om det är vakum eller inte. 7

1.4.1 Biot-avarts lag Magnetfältet (B-fältet) genereras av olika strömtätheter enligt B(r) = µ 0 I dl ˆR 4π R 2 C B(r) = µ 0 4π (25a) K (r ) ˆR R 2 da (25b) B(r) = µ 0 J (r ) ˆR 4π R 2 dv. (25c) V Dessa motsvarar bidrag från linjeström, ytström och volymsström respektive. 1.4.2 Kraft på strömförande ledare i B-fält F = C F = F = V I ds B(r) K(r) B(r)da J(r) B(r)dv (26a) (26b) (26c) 1.4.3 Amperes lag Amperes lag säger att linjeintegralen av tangentiella komponenten av B runt en sluten kurva, är densamma som den av kurvan inneslutna strömmen I enc B = µ 0 J B dl = µ 0 I enc. (27) C 8

1.4.4 Magnetisk dipol För en magnetisk dipol i origo gäller att m = Iˆn B(r) = µ 0 4πr3[3(m ˆr) m] (28b) (28a) A(r) = µ 0 m ˆr 4π r 2. (28c) Här är m det magnetiska dipolmomentet, I strömmen, arean som strömslingan täcker och A den magnetiska vektorpotentialen. 1.5 Magnetfält i olika material Analogt med det elektriska fältet, kan ett polariseringsfält M(r) definieras m.h.a. magnetiska dipolmomentet m som dm = M(r)dv, (29) där dm är det totala dipolmomentet i en liten volym dv med positionen r. Magnetiseringsfältet ger upphov till magnetiseringsströmmar J b och K b enligt J b = M K b = M ˆn, (30a) (30b) där J b och K b är de bundna volyms- och ytströmdensiteterna. ˆn är den från det magnetiserande materialet utåtpekande enhetsvektorn. 1.5.1 Magnetiserande fältet H Analogt med elektriska fält i dielektriska material, uppkommer det magnetiserande fältet H i magnetiserade material, där 9

H = B µ 0 M M = χ m H B = µ 0 µ r H = µh (31a) (31b) (31c) µ r = 1 + χ m. (31d) χ m är den magnetiska susceptibiliteten, µ permeabiliteten hos materialet, och µ r den relativa permeabiliteten i förhållande till µ 0 (permeabiliteten i vakum). 1.5.2 Amperes lag i magnetiska material M = J f H dl = I f (32) C där I f är den fria ström som flödar genom den yta som begränsas av den slutna kurvan C. 1.5.3 Randvillkor B 1n = B 2n ˆn 2 (H 1 H 2 ) = K (33a) (33b) där n 2 är den från material 2 utåtpekande enhetsnormalen. 2 Elektrodynamik 10

2.1 Maxwells ekvationer D = ρ vf D da = Q f E = B t E dl = t C B = 0 B da = 0 B da (34a) (34b) (34c) (34d) (34e) (34f) H = J + D t H dl = I f + t C D da (34g) (34h) 2.2 Potentialer E = V A t B = A (35a) (35b) Här är V skalärpotentialen och A vektorpotentialen. 2.3 Induktion 11

2.3.1 Magnetiskt flöde Ψ Det magnetiska flödet Ψ genom ytan definieras som Ψ = B da (36) 2.3.2 Faradays induktionslag Den inducerade spänningen (även kallad inducerad emk) i en krets, är detsamma som ändringen per tidsenhet av det magnetiska flödet, i.e. V ind = Ψ t = d B da, (37) dt där ytan är den yta som kretsen formar. (37) kan även delas upp i två komponenter så att B V ind = t da + u B dl, (38) där u är hastigheten hos kretsen. C 12