Niels Jonassen ELEKTRO MAGNETISME. Polyteknisk Forlag



Relaterede dokumenter
Ordliste. Teknisk håndbog om magnetfelter og elektriske felter

Partikelbevægelser i magnetfelter

Benjamin Franklin Prøv ikke at gentage forsøget!

De fire Grundelementer og Verdensrummet

Lyn og torden. Præsentation: Niveau: klasse. Varighed: 6 lektioner

KONDENSATORER (DC) Princip og kapacitans Serie og parallel kobling Op- og afladning

Når felter forandres Ny Prisma Fysik og kemi 9 - kapitel 5 Skole: Navn: Klasse:

Pendulbevægelse. Måling af svingningstid: Jacob Nielsen 1

Tilstandsligningen for ideale gasser

Tal, funktioner og grænseværdi

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Identitet og autenticitet

ELEKTROMAGNETISME. "Quasistatiske elektriske og magnetiske felter", side Notem kaldes herefter QEMF.

Superstrenge: I grove træk (1)

Matematik A Vejledende opgaver 5 timers prøven

Har du ikke tidligere arbejdet, kan du altså tjene op til kr., uden at skulle bekymre dig om, at din pensionsydelse bliver mindre.

Ligninger med reelle løsninger

Atomets bestanddele. Indledning. Atomer. Atomets bestanddele

Flemming Jensen. Parforhold

Funktionalligninger - løsningsstrategier og opgaver

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Styr på tingene Ny Prisma Fysik og kemi 8 Skole: Navn: Klasse:

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

Funktioner af flere variable

Dobbeltspalte-eksperimentet. Lad os først se lidt nærmere på elektroner, som skydes imod en skærm med en smal spalte:

Forskel på ros og anerkendelse

TIPS & TRICKS TIL EN GOD TUR

Teknologi & Kommunikation

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

Inverse funktioner. John V Petersen

Forslag til løsning af Opgaver til ligningsløsning (side172)

Afleveringsopgaver i fysik

Formål Fremgangsmåde Trækteori generelt

Kapitel 8. Magnetiske felter - natur, måleenheder m.v. 1 Wb = 1 Tesla = Gauss m 2 1 µt (mikrotesla) = 10 mg (miligauss)

Skoleudvalget i Fredensborg Kommune har besluttet at ca % lønmidlerne skal fordeles på baggrund af sociale indikatorer

BRUGERUNDERSØGELSE 2015 PLEJEBOLIG ØRESTAD PLEJECENTER

Kapitel 5. Alkohol. Det står dog fast, at det er de skadelige virkninger af alkohol, der er et af de største folkesundhedsmæssige. (Grønbæk 2004).

Vands bevægelse i kanaler

Løsning af præmie- og ekstraopgave

Broderisting Jytte Harboesgaard

Dansk Fysikolympiade 2015 Udtagelsesprøve søndag den 19. april Teoretisk prøve. Prøvetid: 3 timer

Hvordan bedømmer du kvaliteten af din skoles undervisning?

Lektion 6 Logaritmefunktioner

Arealer under grafer

RØGENS VEJ RUNDT I KROPPEN

Elektron- og lysdiffraktion

Service i rengøring. Service i rengøring. Daglig erhvervsrengøring

Den bedste dåse, en optimeringsopgave

TALTEORI Primfaktoropløsning og divisorer.

Mekanisk manipulerbar materie

Det danske sundhedsvæsen

Variabel- sammenhænge

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE Skriftlig prøve i Fysik 4 (Elektromagnetisme) 27. juni 2008

Pinsedag Joh. 14,15-21; Jer. 31,31-34; Apg. 2,1-11 Salmer: 290, 300, ,292 (alterg.), 298

Sorteringsmaskinen. Hej med dig!

AARHUS UNIVERSITET. Det naturvidenskabelige fakultet 3. kvarter forår OPGAVESTILLER: Allan H. Sørensen

INDHOLDSFORTEGNELSE VARMT OG KOLDT VAND 0 1. Varmt vand 0 1

Facitliste til Trigonometri i praksis klasse Erik Bilsted 1.udgave, 1. oplag

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 18

Bogstavregning. Formler Reduktion Ligninger Bogstavregning Side 45

Sortlegemestråling Kvantiseringsbegrebet blev indført i år 1900 i et forsøg på at forklare fænomenet sortlegemestråling.

MODUL 5 ELLÆRE: INTRONOTE. 1 Basisbegreber

Kompendie til kompetencefag

Betragtninger i forbindelse med jordskælvet i Danmark december 2008

DesignMat Uge 11 Vektorrum

Privatansatte mænd bliver desuden noget hurtigere chef end kvinderne og forholdsvis flere ender i en chefstilling.

Vort solsystem Ny Prisma Fysik og kemi 8. Skole: Navn: Klasse:

Det talte ord på samrådet gælder

NLP. Læseprøve. Metaprogrammer - en profiltest. futurefactor.dk Må ikke kopieres uden skriftlig tilladelse fra forfatterne.

Når mor eller far er ulykkesskadet. når mor eller far er ulykkesskadet

starten på rådgivningen

Hvordan skal vi opstå fra de døde? Ordet og Israel, 2013 nr3, s.13-17

Kapitel 3 Centraltendens og spredning

1RWDWRP. $QWDOVNnQHRJIOHNVMRE XJHXJH &HQWHUIRU /LJHEHKDQGOLQJDI+DQGLFDSSHGH $XJXVW

Det skal I vide, når I planlægger jeres barsel

Harmoniske Svingninger

Opgave 1 Alle tallene er reelle tal, så opgaven er at finde den mindste talmængde, som resultaterne tilhører.

Status på beskæftigelsesindsatsen 1. kvartal 2014

Gudrun Gjesing Lene Hummelshøj Qvist Tine Ørskov Dall. Krop og læring i indskolingen hvorfor? hvordan? sådan!

Kontinuerte systemer.

DATO DOKUMENT SAGSBEHANDLER MAIL TELEFON

Klare tal om effektiviteten i vandsektoren Partner Martin H. Thelle 22. januar 2014

Matematikopgaver niveau C-B-A STX-HTX

Det nye kontanthjælpsloft rammer enlige markant hårdere end tidligere

brikkerne til regning & matematik potenstal og rodtal F+E+D preben bernitt

brøker basis+g brikkerne til regning & matematik preben bernitt

Victor, Sofia og alle de andre

Ratepensioner i Skat Nova 2015

Pladeudfoldning, Kanaler

Etiske principper (og hensyn) for prioriteringer i sundhedsarbejdet

tre gange. Der er ikke noget at sige til, hvis Peter sidder og vrider sig lidt i den dårlige samvittighed.

Undervisningsbeskrivelse

Gode råd om læsning i 3. klasse på Løjtegårdsskolen

Konsekvenser af direkte adgang til fysioterapeut

Vejledende Matematik B

Finde invers funktion til en 2-gradsfunktion - ved parallelforskydning. John V Petersen

Rumfangs. umfangsberegning. Rumfang af en cylinder. På illustrationen til højre er indtegnet en lineær funktion indenfor et afgrænset interval, hvor

Arduino kursus lektion 4:

AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet Augusteksamen OPGAVESTILLER: Allan H. Sørensen

Efteruddannelsesudvalget for bygge/anlæg og industri

Transkript:

Niels Jonassen ELEKTRO MAGNETISME Polyteknisk Forlag

FORORD Denne bog er en stærkt revideret og omarbejdet udgave af noter og kompendier, der siden 1984 har været anvendt ved kurser i elektromagnetisme på Danmarks Tekniske Universitet. Samtidigt har materialet været anvendt ved forskellige andre institutioner. Bogens tegninger er fremstillet af Ove Broo Sørensen, som jeg gerne vil takke for det gode arbejde og for megen tålmodighed i samarbejdet. Lyngby, marts 1995 Niels Jonassen

INDHOLD side l. ELEKTRISK LADNING......................... l 2. ELEKTRISK FELT... 5 3. ELEKTRISK POTENTIAL....................... 19 4. KAPACITANS, KONDENSATORER................ 29 5. DIELEKTRIKA.............................. 39 6. ELEKTRISKE FELTER I LUFT OG DIELEKTRIKA... 51 7. KONDENSATORTYPER........................ 61 8. ELEKTRISK STRØM.......................... 65 9. MAGNETISK FELT........................... 87 10. ELEKTROMAGNETISK INDUKTION.............. 105 11. VEKSELSTRØM............................ 125 12. MAGNETISME I STOF........................ 145 13. TRANSFORMEREN.......................... 163 14. GENERATORER OG MOTORER................. 171 15. ELEKTRISKE SVINGNINGER................... 179 16. MAXWELLS LIGNINGER...................... 183 INDEKS................................. 189

ELEKTRISK LADNING 1.1 KAPITEL l ELEKTRISK LADNING Indledning Både i dagligdagen og i mere teknisk sammenhæng kommer manjævnligt ud for fænomener, der kun lader sig forklare, hvis man forudsætter eksistensen af en anden type kræfter end de traditionelle, som tyngdekraften, gnidningskræfter eller elastiske kræfter. Det kan dreje sig om frastødningen mellem to stykker papir, der har været gennem en fotokopimaskine, om tøj, der klæber til kroppen, eller om støv og dråber, der udfældes i et elektrofilter. Man siger, at sådanne legemer er påvirkede af elektriske kræfter og tilskriver dette en egenskab ved legemerne, man kalder deres elektriske ladning. Kræfterne har i visse tilfælde karakter af frastødning, i andre af tiltrækning. Elektrisk ladning er en egenskab ved visse atomare elementarpartikler, af hvilke de vigtigste er protoner og elektroner. Protonens (brintkernens) ladning siges at være positiv og betegnes med e. Elektronens ladning siges tilsvarende at være negativ og betegnes med -e. Denne betegnelse skal angive dels, at en protons og en elektrons ladninger er numerisk lige store, og dels, at de kan ophæve hinandens virkninger på andre ladninger. Man kalder e og -e for henholdsvis en positiv og negativ elementarladning. Det er i øvrigt Benjamin Franklin, der udover at studere tordenvejr og opfinde lynaflederen, også var en fremtrædende diplomat og bogtrykker (i det 18. århundrede), som foreslog betegnelserne positiv og negativ for de to slags ladninger. I et neutralt atom eller molekyle er der lige store positive og negative ladninger, og indeholder legemet udelukkende neutrale atomer eller molekyler, siges det at være uladet. Har legemets molekyler derimod et overskud af elektroner, er legemet negativt ladet; har de underskud, er det positivt. Erfaringen viser, at ensartede ladninger, og dermed ensartet ladede legemer, frastøder hinanden, mens modsat ladede legemer tiltrækker hinanden. l

1.2 ELEKTRISK LADNING Da protonens, og dermed også elektronens, ladning er den mindste ladning, der kan isoleres, ville det egentlig være naturligt at anvende dens størrelse som enhed for elektrisk ladning, men i det internationale enhedssystem (SI) har man ladet ladningsenheden, coulomb (C), være en afledet enhed (l coulomb = l ampere sekund), og man finder, at protonladningen er e = 1,602 I0-19 c H vis et legeme mister eller får tilført en enkelt eller nogle få elektroner, vil man normalt kun være i stand til at konstatere virkningen, hvis legemet er så lille, at det består af et enkelt eller nogle få atomer. På makroskopiske legemer kan virkningen af en ladning kun mærkes, hvis denne består af et meget stort antal elementafladninger. På de enkelte korn i et opladet pulver kan således måske sidde 10 14-10 13 C, d. v.s. at hundrede tusind til en million elektroner er blevet flyttet for at oplade dette enkelte korn. På et plasticomslag, der er blevet gnedet mod et eller andet, eller på en person, der har gået over en isolerende gulvbelægning, sidder der måske 10 7 C, d.v.s. mere end 10 12 elektroner har været indblandet i opladningsprocessen. Der er dog grænser for, hvor stor en ladning, man kan have på en given overflade. På overfladen af en leder kan der maksimalt sidde ca. 3 10 5 C m 2 (ved atmosfærisk tryk). I kapitlet om elektriske felter, skal vi vende tilbage til dette spørgsmål. Selv om elektriske ladninger under praktiske forhold normalt er lokaliserede på legemer med en vis udstrækning, er det mest praktisk først at beskrive såkaldte punktformige ladninger, d.v.s. ladninger, der sidder på legemer, hvis udstrækning er lille sammenlignet med afstandene til de steder, hvor man ønsker at studere ladningernes virkninger. Coulombs lov Det kan eksperimentelt vises, at den kraft F 12, hvormed ladningen q 2 påvirker ladningen q 1, kan udtrykkes som ( 1. 1) hvor r er afstanden mellem q 1 og q 2, og e 12 er en enhedsvektor rettet mod q 1 fra 2

ELEKTRISK LADNING 1.3 q 2, fig. 1.1. e 0 er en konstant, vakuumpermittiviteten, eller det tomme rums permittivitet defineret ved 1 0 =-- lloc2 hvor llo er vakuumpermeabiliteten (se Kapitel 9) og c er lyshastigheden i vakuum. 0 har den eksakte værdi 8,854187818 10 12 C 2 N 1 m 2 Fig. 1.1 der i praksis gerne afrundes til For kraften F 21 på q 2 gælder q,q2 F z,=--ez, 41t /2 hvor e 21 er en enhedsvektor rettet mod~ fra q 1, d.v.s. e = 8 85 10 12 C 2 N- 1 m 2 o, ( 1.2) og Ligning (1.1) og (1.2), der begge angiver kraften mellem to elektriske ladninger, kaldes Coulombs lov. I praksis vil det normalt være vanskeligt direkte at eftervise loven, men dens gyldighed kan dokumenteres ved, at den fører til resultater, der er lette at kontrollere med stor nøjagtighed. Idet superpositionsprincippet gælder for elektriske kræfter kan den resulterende kraft F 0 på en ladning q 0 fra en samling ladninger, q 1, q2,...,qi,., fig. 1.2, skrives Fig. 1.2 F =-1- ~ qoqie. o L o1 4 2 neo i r. 01 (1.3) Er ladningerne kontinuert fordelt langs en linie L med den lineære ladningstæthed Il (C m 1) eller på en flade S med fladeladningstætheden a (C m 2) 3

1.4 ELEKTRISK LADNING eller i et volumen U med rumladningstætheden p (C m 3), kan ligning (1.3) skrives (1.4) eller eller 0 F =-1- JQ odse o 47teo s rz (1.5) (1.6) hvor r og e er afstandene og enhedsvektorerne fra linieelementet dl, fladeelementet ds eller volumenelementet du til ladningen 'lo 4

ELEKTRISK FELT 2.1 KAPITEL 2 ELEKTRISK FELT Def"mition af elektrisk felt Når en ladning, i hvile i forhold til omgivelserne, påvirkes af en elektrisk kraft, siges den at befinde sig i et elektrisk felt. Af ligningerne (1.1) - (1.6), fremgår det, at den kraft, hvormed en ladning påvirkes (af andre ladninger), er proportional med ladningen selv. Man kan derfor helt alment skrive for kraften F på en ladning q F= qe (2.1) Proportionalitetsfaktoren E kaldes den elektriske feltstyrke. Dens enhed er N c- 1 (eller, som vi senere skal se, V m- 1 (volt pr. meter)). Feltstyrken E er en karakteristisk størrelse for ethvert punkt i omgivelserne af en ladningsfordeling. Man anvender ofte udtrykket, at en ladningsfordeling fremkalder en bestemt tilstand, et elektrisk felt, eller blot et E-felt, i sine omgivelser, karakteriseret ved feltstyrken. Ligning (2.1) kan også skrives F E=- (2.2) q Det fremgår af (2.2), at man bestemmer feltet fra en given ladningsfordeling ved i det punkt, hvor feltstyrken ønskes målt, at anbringe en ladning q og måle den kraft F, hvormed feltet påvirker q. Imidlertid kan selve anbringelsen af q i feltet ændre den feltfremkaldende ladningsfordeling, og feltstyrken bliver dermed afhængig af størrelsen af den ladning, man bruger til måling af feltet. Feltstyrken E fra en given ladningsfordeling defineres derfor som forholdet mellem den kraft df, der virker på en ladning dq, der anbringes i feltet, og ladningen dq, idet det forudsættes, at dq er så lille, at den ikke ændrer fordelingen af de ladninger, der fremkalder feltet, d. v. s. E= df d q (2.3) 5