Oscillerande dipol i ett inhomogent magnetfält

Relevanta dokument
Tentamen i El- och vågrörelselära,

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

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Bra tabell i ert formelblad

Strålningsfält och fotoner. Våren 2013

Strålningsfält och fotoner. Våren 2016

Andra EP-laborationen

Kapitel 27: Magnetfält och magnetiska krafter Beskriva permanentmagneters beteende Samband magnetism-laddning i rörelse Ta fram uttryck för magnetisk

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Fysikum Kandidatprogrammet FK VT16 DEMONSTRATIONER MAGNETISM II. Helmholtzspolen Elektronstråle i magnetfält Bestämning av e/m

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

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

Tentamen ellära 92FY21 och 27

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

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

Vad är r Magnetism? Beskriva och förklara fenomen relaterade till magnetism!

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

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

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 23: Faradays lag

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:

MEKANIK LABORATION 2 KOPPLADE SVÄNGNINGAR. FY2010 ÅK2 Vårterminen 2007

Inst. för Fysik och materialvetenskap MAGNETISKA FÄLT

RC-kretsar, transienta förlopp

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

Elektromagnetism. Laboration 2. Utfördes av: Henrik Bergman Muzammil Kamaly. Uppsala

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

Prov Fysik B Lösningsförslag

Magnetiska fält laboration 1FA514 Elektimagnetism I


93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

Repetition kapitel 21

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Vågrörelselära och optik

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 8 januari, 2007

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

Upp gifter I=2,3 A. B=37 mt. I=1,9 A B=37 mt. B=14 mt I=4,7 A

Föreläsning 5, clickers

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

Kaströrelse. 3,3 m. 1,1 m

Dugga i elektromagnetism, sommarkurs (TFYA61)

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

6. Magnetostatik I: Magnetfältet från tidsoberoende strömmar

6. Magnetostatik I: Magnetfältet från tidsoberoende strömmar

Svar och anvisningar

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

Övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

Laboration 1: Gravitation

LÄRARHANDLEDNING Harmonisk svängningsrörelse

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Laboration 1: Gravitation

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

Tentamen i Fysik för M, TFYA72

Materiel: Kaffeburk med hål i botten, stoppur, linjal, vatten, mm-papper.

Magnetostatik och elektromagnetism

attraktiv repellerande

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

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

Elektricitetslära och magnetism - 1FY808. Lab 3 och Lab 4

Laboration 1: Gravitation

Magnetostatik, induktans (och induktion) kvalitativa frågor och lösningsmetodik

9.1 Kinetik Rotation kring fix axel Ledningar

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Föreläsning 4 1. Den andra av Maxwells ekvationer i elektrostatiken

Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor

14. Potentialer och fält

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

Introduktion. Torsionspendel

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Vågrörelselära och optik

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik 2. 5 juni :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Kapitel: 32 Elektromagnetiska vågor Maxwells ekvationer Hur accelererande laddningar kan ge EM-vågor

Tentamen för TFYA87 Fysik och Mekanik

Problemsamling. Peter Wintoft Institutet för rymdfysik Scheelevägen Lund

Chalmers Tekniska Högskola och Mars 2003 Göteborgs Universitet Fysik och teknisk fysik Kristian Gustafsson Maj Hanson. Svängningar

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

14. Potentialer och fält

Övning 6, FMM-Vektoranalys, SI1140

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

f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) f(x, y, z) = (x 2 + yz, y 2 x ln x) 3. Beräkna en vektor som är tangent med skärningskurvan till de två cylindrarna

SOLENOIDENS MAGNETFÄLT

2.7 Virvelströmmar. Om ledaren är i rörelse kommer den att bromsas in, eftersom det inducerade magnetfältet och det yttre fältet är motsatt riktade.

Introduktion till fordonselektronik ET054G. Föreläsning 3

TENTAMEN I TILLÄMPAD VÅGLÄRA FÖR M

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

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.

Transkript:

Ú Institutionen för fysik 2014 08 11 Kjell Rönnmark Oscillerande dipol i ett inhomogent magnetfält Syfte Magnetisk dipol och harmonisk oscillator är två mycket viktiga modeller inom fysiken. Laborationens syfte är att ge en djupare förståelse av dessa modeller, de approximationer som leder fram till dem, och hur approximationerna begränsar modellernas tillämpning på praktiska problem. I laborationen bestäms först en permanentmagnets magnetiska moment genom att mäta hur magnetfältets styrka varierar med avståndet. Sedan undersöks vid vilken amplitud magnetens svängningar i fältet från en kort spole inte längre kan betraktas som harmoniska. Slutligen bestäms det magnetiska momentet genom mätning av med vilken frekvens magneten svänger i det inhomogena magnetfältet. Utrustning Permanentmagnet Spole med glidbana och ryttare Strömkälla, GPR 3060 (kan leverera 5A, 30V) Amperemeter ( 5A, upplösning 0.01 A) Magnetometer (Hallprob) med mätbord Våg Stoppur 1

Fig. 1. Magnetiskt dipolfält Teori Om man undersöker fältet kring en liten magnet liknar många av dess egenskaper en magnetisk dipol. En magnetisk dipol är helt enkelt en strömslinga vars radie r är myckt liten i förhållande till alla andra avstånd. Den kan fullständigt beskivas av sitt magnetiska moment µ µ = NIA ˆn (1) där I är strömmen som går N varv runt kanten på en yta med area A och normalvektor ˆn. Magnetfältet från en dipol kan, efter ganska besvärliga räkningar, skrivas B(r) = µ 0 4πr 3 ( 3(µ ˆr)ˆr µ ), (2) och fältlinjernas form visas i Fig 1. Om vi inför polära koordinater med z-axeln längs ˆn och bara betraktar punkter längs axeln, r = zˆn, ges magnetfältets styrka av B z (z) = µ 0µ 2πz 3 (3) En permanentmagnet är uppbyggd av en stor mängd mikroskopiska dipoler, somär mer eller mindre parallella. Detär omöjligtattmätai ochapå atomär nivå, men om man inte kommer för nära själva magneten kan den beskrivas av ett enda magnetiskt moment µ P, som är vektorsumman av de många ingående atomenas magnetiska moment. Genom att mäta B z (z) och avståndet z till magnetens mitt kan vi med hjälp av (3) beräkna dess magnetiska momentet µ P. I laborationen används också en större spole. På några meters avstånd skulle också den kunna betraktas som en dipol, men vi är här intresserade av magnetfältet i spolens centrum, och då kan vi inte försumma spolens radie R. 2

Med hjälp av Biot-Savarts lag kan magnetfältet längs axeln i en punkt på avståndet z från centrum på en spole med magnetiska moment µ R = πr 2 NI skrivas (Benson, Ex. 30.3, sid 610) B z (z) = µ 0NIR 2 2(R 2 +z 2 ) 3/2 = µ 0 µ R 2π(R 2 +z 2 ) 3/2, (4) Notera att då R 0 får (4) samma form som (3). Magnetfältet är maximalt i spolens mitt (z = 0) där de magnetiska fältlinjerna ligger tätast. Det magnetiska flödet Φ r = πr 2 B z genom de skuggade ytorna i Fig 2. är oberoende av z om r(z) är avståndet från z-axeln till en viss fältlinje. Genom Taylorutveckling av Φ r (z + z) får vi I r( z) Br B B z z R Fig. 2. Magnetfältet från en cirkulär spole. Φ r (z + z) = Φ r (z)+ z dφ r(z) = Φ r (z)+ z d ( πr 2 (z)b z (z) ) [ dz dz = Φ r (z)+ z π 2r dr ] dz B z +r 2dB z, (5) dz som eftersom Φ r är konstant måste vara oberoende av z. Då måste uttrycket inom [] vara noll, vilket ger dr B z dz + r db z 2 dz = 0. (6) Att fältlinjerna alltid är parallella med B betyder att (se Fig. 2) dr dz = B r B z, (7) 3

och med hjälp av detta kan vi ur (6) lösa ut det radiella magnetfältet B r = r db z 2 dz. (8) Kraften på ett strömelement Idl är vinkelrät mot B och ges av (Benson, ekv. 29.5) df = Idl B. (9) På en liten strömslinga med radie r kommer alltså magnetfältets radiella komponent B r att ge en kraft i z-riktningen. Eftersom dl = 2πr i detta fall blir kraften på strömslingan, med hjälp av (8), F z = I2πrB r = Iπr 2dB z dz = µdb z dz (10) En liten strömslinga på den stora spolens axel påverkas alltså av en kraft som är proportionell mot dess magnetiska moment. Detta gäller också för en permanentmagnet µ P, som ju är uppbyggd av många mikroskopiska strömslingor. Uppgift 1: Beskriv, med ekv (9) som utgångspunkt, i ord och bild hur kraftens riktning beror på hur strömmen i spolen förhåller sig till de atomära strömmarna i permanentmagneten! 4

Uppgift 2: Beräkna med hjälp av (4) och (10) kraften F z på en liten permanentmagnet med magnetiskt moment µ P på avståndet z från spolens centrum. Uppgift 3: Om z R kan F z förenklas genom att sätta (1+z 2 /R 2 ) 1. Hur stort blir maximala felet i F z om z R/10? Om vi linjäriserar F z genom approximationen (1+z 2 /R 2 ) 1 får vi rörelseekvationen m d2 z dt 2 = F z = 3µ 0µ P NI 2R 3 z (11) där m är den svängande massan (magnet och ryttare). Denna ekvation beskriver en harmonisk svängningsrörelse med frekvens 3µ0 µ P NI ω = 2mR 3 (12) Genom att experimentellt bestämma ω kan vi från (12) beräkna permanentmagnetens dipolmoment µ P. 5

Genomförande av experimenten Fig. 3. Gaussmeter med axiell Hallprob Uppgift 4: Bestäm en permanentmagnets magnetiska moment µ P genom att mäta magnetfältets styrka på olika avstånd längs axeln. Utförande: Stavmagneten läggs i mätfixturen och magnetiska fältstyrkan mäts i stavmagnetens axiella riktning för 10 olika avstånd (2, 4, 6, 8,..., 20 cm). Använd sedan ekvation (3) för att beräkna permanentmagnetens magnetiska moment µ P. 6

Fig. 4. Luftbana med ryttare och magnetspole Uppgift 5: Bestäm vid vilken svängningsamplitud linjäriseringen av rörelseekvationen genom approximationen (1 + z 2 /R 2 ) 1 märkbart påverkar svängningens vinkelfrekvens ω. Utförande: 1. Montera stavmagneten med hjälp av dubbelhäftande tejp (mitt på och parallellt med ryttaren). 2. Koppla tryckslang till tryckluftsuttag och skruva upp flödet på flödesregulatorn så att ryttaren lyfter. 3. Ställ in strömmen genom spolen på 5.00 A och släpp ryttaren med magnetens centrum 1 cm från spolens centrum. Klocka 10 svängningar med hjälp av tidtagarur, och bestäm periodtiden. Gör sedan om samma mätning, men öka amplituden i steg om 2 cm så långt det går. Använd resultatet för att välja och motivera startamplituden i nästa uppgift! 7

Uppgift 6: Bestäm en permanentmagnets magnetiska moment µ P genom att mäta svängningsfrekvensen ω i ett inhomogent magnetfält. Utförande: 1. Ställ in strömmen genom spolen på 1.00 A och släpp ryttaren med magnetens centrum på lämpligt avstånd från spolens centrum. Klocka 10 svängningar med hjälp av tidtagarur och bestäm periodtiden. Gör på samma sätt för varje 0.50 A upp t.o.m. 5.00 A ( 9 mätningar ). 8