Elektromagnetiska falt och Maxwells ekavtioner

Relevanta dokument
Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

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

Bra tabell i ert formelblad

Allmant behover vi tre parametrar u 1 u 2 u 3 for att beskriva engodtycklig punkt i rummet. Vi kan

* Läsvecka 1 * Läsvecka 2 * Läsvecka 3 * Läsvecka 4 * Läsvecka 5 * Läsvecka 6 * Läsvecka 7 * Tentamenssvecka. Läsvecka 1

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

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

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

ANDREAS REJBRAND Elektromagnetism Coulombs lag och Maxwells första ekvation

Hydrodynamik Mats Persson

Integraler av vektorfält Mats Persson

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

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

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

Poissons ekvation och potentialteori Mats Persson

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

Föreläsning 4 1. Den andra av Maxwells ekvationer i elektrostatiken

23 Konservativa fält i R 3 och rotation

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

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

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Formelsamling till Elektromagnetisk

OBS!

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

OBS!

OBS!

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

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Fysik TFYA86. Föreläsning 8/11

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

Flervariabelanalys E2, Vecka 6 Ht08

1.15 Uppgifter UPPGIFTER 21. Uppgift 1.1 a) Visa att transformationen x i = a ikx k med. (a ik ) =

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

14. Potentialer och fält

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

FFM232, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

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:

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

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

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

14. Potentialer och fält

OBS!

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

OBS!

OBS!

Kroklinjiga koordinater och räkning med vektoroperatorer. Henrik Johanneson/(Mats Persson)

Fysik TFYA68 (9FY321) Föreläsning 6/15

A = D. r s r t dsdt. [(1 + 4t 2 ) 3/2 1]dt (1) där det sista steget fås genom variabelbytet u = 1 + 4s 2. Integralen. (1 + 4t 2 ) 3/2 dt

OBS!

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

Nikolai Tesla och övergången till växelström

Outline. TMA043 Flervariabelanalys E2 H09. Carl-Henrik Fant

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

Matematikuppgifter del II, FYTA11

OBS!

OBS!

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

OBS!

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

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

OBS!

Fysik TFYA68. Föreläsning 5/14

Övning 6, FMM-Vektoranalys, SI1140

Övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

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

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

OBS!

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

OBS!

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

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

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. 1. En svängningsrörelse beskrivs av

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE , kl

Där r är ortsvektorn mellan den punkt där fältet beräknas och den punkt där linjeelementet dl av strömbanan finns.

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

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

OBS!

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Repetition kapitel 21

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

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

OBS!

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

Tavelpresentation. Grupp 6A. David Högberg, Henrik Nordell, Harald Hagegård, Caroline Bükk, Emma Svensson, Emil Levén

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM232)

14. Potentialer och fält

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

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 21 mars 2016

1 Vektorer och tensorer

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

Transkript:

Forelasning /1 Elektromagnetiska falt och Maxwells ekavtioner 1 Maxwells ekvationer Maxwell satte 1864 upp fyra stycken ekvationer som gav en fullstandig beskrivning av ett elektromagnetiskt falt. Dock, som vi skall se, inskrankte sig hans eget bidrag till en term i en av ekvationerna. En av ekvationerna har vi redan stott pa. Det ar Gauss lag for ett elektriskt falt re = : (1) Den har ekvationen sager att elektriska falt kan ha elektriska laddningar som kallor. A andra sidan nns det inte nagra magnetiska laddningar. Trots manga ars experimentella eftersokningar har man aldrig hittat nagra sa kallade magnetiska monopoler. Darfor kan vi dra slutsatsen att det for ett magnetfalt maste galla att rb =: () Av detta kan vi sluta oss till att magnetfalt inte alstras av magnetiska laddningar. stallet sa vet vi att magnetfalt kan alstras av elektriska strommar. i vet att det magnetiska faltet kring en rak ledare parallell med z-axeln genom vilken det gar en strom kan skrivas som uttryckt i cylindriska koordinater. i beraknar nu B (r) = ^' (3) B dr (4) langs en kurva som omsluter ledaren. i konstaterar forst att rb = for 6=. Darmed kan vi komprimera ner till en cirkel med radien kring den elektriska ledaren ^' dr = dr = : (5) Detta samband, Amperes lag, galler helt allmant oberoende av den elektriska ledarens form och hur strommen tar sig fram genom ledaren innanfor kurvan. trommen som gar genom kurvan kan vi skriva som = J d (6) dar J ar stromtatheten. i kan ocksa skriva om vansterledet med tokes sats (rb)d = J d: (7) Ytan med randen ar nu helt godtycklig, sa vi kan satta integranderna lika med varandra rb = J: (8) Detta ar den tredje av Maxwells ekvationer men den kommer att visa sig vara ofullstandig i det tidsberoende fallet. i har nu funnit att elektriska laddningar kan skapa elektriska falt och att elektriska strommar kan skapa magnetfalt. i vet dock att elektriska falt ocksa kan skapas genom induktion. En forandring av det magnetiska odet,, genom en elektrisk ledare inducerar ett elektriskt falt E i 1

ledaren som i sin tur ger upphov till en strom och ett magnetisk falt som vill motverka forandringen i det magnetiska odet. Enligt Faradays induktionslag sa galler om ledaren foljer en sluten kurva att E dr = ; d A andra sidan kan vi skriva det magnetiska odet genom ledaren som = i kan nu skriva Faradays induktionslag som E dr = ; dt : (9) B d: (1) B d: (11) i kan nu skriva om vansterledet med tokes sats, och i hogerledet kan vi kasta om ordningen pa integrationen och deriveringen (re)d = ; B d: (1) Ytan och dess rand ar egentligen helt godtycklig har, sa likheten maste galla mellan integranderna ocksa. Alltsa har vi re = ; B : (13) i har nu fatt fram fyra ekvationer som beskriver de elektriska och magnetiska falten, eller snarare ger uttryck for deras divergenser och rotationer. Ekvationerna ar dock inte kompletta i den har formen. Den elektriska laddningen ar en bevarad storhet i naturen. Lat oss betrakta en godtycklig volym med en laddningstathet. Den totala laddningen i ar da d: (14) Denna laddning kan forandras genom att en elektrisk strom, J, gar genom ytan till. Utodet av laddning fran volymen per tidsenhet kan da skrivas som illkoret att laddningen bevaras ger oss da J d: (15) d = ; J d: (16) vansterledet kan vi byta pa ordningen mellan integralen och tidsderivatan, och hogerledet kan vi skriva om med hjalp av Gauss sats d = rjd: (17) Nu galler det att vi har valt volymen helt godtyckligt, sa samma likhet maste galla for integranderna sjalva, sa vifar kontinuitetsekvationen = ;r J: (18) A andra sidan sa sager Amperes lag att rb = J,ochvikan nu berakna rj = 1 r(rb) = (19)

enligt raknereglerna for vektoroperatorerna. Det foljer darfor att = () vilket ar orimligt, for det betyder att det inte gar att ytta en elektrisk laddning. Detta insag Maxwell och kom fram till att problemet gick att losa genom att lagga till en term E (1) till hogerledet av Amperes lag. Denna term brukar kallas for forskjutningsstrommen. i far nu alltsa att Maxwells ekvationer blir re = () Kallfria och virvelfria falt rb = (3) re = ; B rb = J + E (4) : (5) i vet att ett falt E sadant attre = har en potential sadan att E = ;r. i sager att faltet E ar virvelfritt (rotationsfritt) eller konservativt. Om ett konservativt falt E uppfyller ekvationen re =, sa sager vi att faltet genereras av enkalla. ikan da bestamma faltets potential genom att losa Poisson-ekvationen r =;. Lagg marke till att potentialen ej ar fullstandigt bestamd. Det gar alltid att addera en konstant till potentialen utan att E forandras. Ett exempel pa ett virvelfritt falt ar ett elektrostatiskt falt. A andra sidan kallar vi ett falt sadant att rb = for ett kallfritt falt. Ett kallfritt falt kan vi skriva som B = ra for nagot A. A kallas for vektorpotentialen. Precis som den vanliga potentialen inte ar fullstandigt bestamd, utan man kan addera till en konstant till potentialen, kan man till vektorpotentialen addera ett vektorfalt rf, dar f ar ett godtyckligt skalart falt, eftersom r(rf) =. En explicit konstruktion av vektor potentialen fran det kallfria faltet ges av, A(x y z) = z B y (x y z )dz ; y B z (x y z)dy ^x ; z B x (x y z )dz ^y : (6) Exempel: Betrakta en elektrisk ledare parallell med z-axeln. Genom ledaren yter en strom. Da omges ledaren av ett magnetfalt B = ^': (7) i kan nu bestamma den motsvarande vektorpotentialen ur ekvationerna 1 A z ' ; A ' z = (8) och Dessa ekvationer uppfylles om A z 1 ; A z = (A ') ; A ' (9) =: (3) A = ; log ^z (31) 3

dar ar en godtycklig konstant. Notera att rb = utanfor ledaren (notera att detta ar ett icke enkelt sammanhangande omrade) vilket medfor att en envard potential kan inte denieras i detta omrade eftersom en kurvintegral av faltet runt ledaren ar skilt fran noll. Lat oss nu betrakta Amperes lag i det tidsoberoende fallet Om vi nu ersatter B med ra sa har vi For vansterledet har vi raknereglen (se ex. vis. Kap. 4.6 i ) J = rb: (3) rra = J: (33) rra = r (ra) ;r A (34) Den frihet, gauge, som vi har i att bestamma A gor det alltid mojligt att garantera att ra =, sa vi kan reducera ekvationen till r A = ; J (35) och viharpa sa satt kommit fram till en Poisson-ekvation for vektorpotentialen. det tidsberoende fallet ar inte faltet E virvelfritt enligt induktionsekvationen och saknar da virvelfritt eftersom en skalar potential. Men enligt induktions ekvationen ar E + A r(e + A ra )=re + = re + B = (36) och kan beskrivas med en skalar potential vilket ger da direkt att, E = ;r ; A : (37) Allmant kan ett falt E delas upp i en del som ar virvelfri, och en del som ar kallfri den sa kallade Helmholtz uppdelningen. 3 Maxwells ekvationer i vakuum och elektromagnetiska vagor vakuum nns det inga elektriska laddningar, och inga elektriska strommar, sa vi kan skriva Maxwells ekvationer som re = (38) rb = (39) re = ; B rb = E i kan nu till exempel berakna rotationen av induktionsekvationen Ekv. (4) rre = r (re) ;r E = ;r B i kan nu utnyttja att re =och Ekv. (41) Lat oss nu betrakta ekvationen ;r E = ; E = ; E (4) (41) = ; rb : (4) : (43) E = 1 r E (44) 4

i en dimension: E = 1 E x : (45) Ekvationen har da losningar pa formerna E(x ; ct) och E(x + ct), vilka beskriver vagor som fortplantar sig i den positiva respektive den negativa riktningen med hastigheten c =1= p. i kallar darfor Ekv. (44) for vagekvationen. Man kan ocksa harleda en ekvation for en vag av magnetfalt ur Maxwells ekvationer. agen bestar darfor av svangande elektriska och magnetiska falt, vilka genererar varandra. Den hastighet med vilken vagen breder ut sig overensstammer med ljusets hastighet, och man kan darfor dra slutsatsen att ljus ar en form av elektromagnetiska vagor. 5