Elektrodynamika. Część 6. Elektrodynamika. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Podobne dokumenty
Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Fizyka współczesna. Zmienne pole magnetyczne a prąd. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Powstawanie prądu w wyniku zmian pola magnetycznego

Wykład 14: Indukcja cz.2.

Wykład 15: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Elektrodynamika Część 4 Magnetostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Wykład 14: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Elektrodynamika Część 5 Pola magnetyczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Podstawy fizyki sezon 2 6. Indukcja magnetyczna

Elektrodynamika. Część 5. Pola magnetyczne w materii. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Pole elektromagnetyczne

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Prądy wirowe (ang. eddy currents)

Indukcja elektromagnetyczna

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Magnetyzm cz.ii. Indukcja elektromagnetyczna Równania Maxwella Obwody RL,RC

) I = dq. Obwody RC. I II prawo Kirchhoffa: t = RC (stała czasowa) IR V C. ! E d! l = 0 IR +V C. R dq dt + Q C V 0 = 0. C 1 e dt = V 0.

Podstawy fizyki sezon 2 5. Indukcja Faradaya

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

POLE MAGNETYCZNE Magnetyzm. Pole magnetyczne. Indukcja magnetyczna. Siła Lorentza. Prawo Biota-Savarta. Prawo Ampère a. Prawo Gaussa dla pola

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Elektrodynamika. Część 9. Potencjały i pola źródeł zmiennych w czasie. Ryszard Tanaś

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Przedmowa do wydania drugiego Konwencje i ważniejsze oznaczenia... 13

Indukcja elektromagnetyczna. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ferromagnetyki, paramagnetyki, diamagnetyki.

Fale elektromagnetyczne

Kolokwium 2. Środa 14 czerwca. Zasady takie jak na pierwszym kolokwium

Wykłady z Fizyki. Elektromagnetyzm

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Pole elektrostatyczne

Momentem dipolowym ładunków +q i q oddalonych o 2a (dipola) nazwamy wektor skierowany od q do +q i o wartości:

Fotonika. Plan: Wykład 3: Polaryzacja światła

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Efekt naskórkowy (skin effect)

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

Indukcyjność. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Wykład 4 i 5 Prawo Gaussa i pole elektryczne w materii. Pojemność.

Pole magnetyczne. Magnes wytwarza wektorowe pole magnetyczne we wszystkich punktach otaczającego go przestrzeni.

INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA; PRAWO FARADAYA

Elektrodynamika Część 3 Pola elektryczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Indukcja elektromagnetyczna

Elektrostatyka, cz. 1

II prawo Kirchhoffa Obwód RC Obwód RC Obwód RC

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Podstawy fizyki sezon 2 6. Równania Maxwella

Elektryczność i Magnetyzm

Pracownia fizyczna i elektroniczna. Wykład lutego Krzysztof Korona

Zakres pól magnetycznych: Źródło pola B B maks. [ T ] Pracujący mózg Ziemia Elektromagnes 2 Cewka nadprzewodząca. Cewka impulsowa 70

Prawa Maxwella. C o p y rig h t b y p lec iu g 2.p l

Elektrodynamika Część 10 Promieniowanie Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Pojemność elektryczna. Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

Prąd elektryczny - przepływ ładunku

Zastosowanie zespolonego wektora Poyntinga do wyznaczania impedancji

Pole magnetyczne Wykład LO Zgorzelec

Kolokwium 2. Środa 14 czerwca. Zasady takie jak na pierwszym kolokwium

Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

Elementy elektrodynamiki klasycznej S XX

Wykład Pole elektryczne na powierzchniach granicznych 8.10 Gęstość energii pola elektrycznego

Elementy elektrodynamiki klasycznej S XX

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Podstawy elektrotechniki

Ramka z prądem w jednorodnym polu magnetycznym

PROGRAM INDYWIDUALNEGO TOKU NAUCZANIA DLA UCZNIÓW KLASY II

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Wyznaczanie parametrów linii długiej za pomocą metody elementów skończonych

Badanie transformatora

Wykład Siły wynikające z prawa Lorentza i Biota-Savarta c.d Prądy polaryzacyjne w dielektrykach. 15. Magnetyczne własności materii

Egzamin z fizyki Informatyka Stosowana

Wykład FIZYKA II. 5. Magnetyzm

Rozdział 6. Równania Maxwella. 6.1 Pierwsza para

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Pojęcie ładunku elektrycznego

Pole magnetyczne ma tę własność, że jego dywergencja jest wszędzie równa zeru.

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO. Wykład 9 lato 2016/17 1

Badanie transformatora

Wykład 18 Dielektryk w polu elektrycznym

Wykład 14. Część IV. Elektryczność i magnetyzm

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Teoria Pola Elektromagnetycznego

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Fizyka. dr Bohdan Bieg p. 36A. wykład ćwiczenia laboratoryjne ćwiczenia rachunkowe

Transkrypt:

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM http://zon8.physd.amu.edu.pl/\~tanas Spis treści 7 Elektrodynamika 3 7.1 Siła elektromotoryczna.................. 3 7.2 Indukcja elektromagnetyczna............... 8 7.3 Równania Maxwella.................... 23

7 Elektrodynamika 7.1 Siła elektromotoryczna 7.1.1 Prawo Ohma f siła działająca na jednostkowy ładunek σ przewodność elektryczna właściwa J =σf, substancji ρ = 1/σ opór elektryczny właściwy substancji J = σ(e + v B) siła elektromagnetyczna J =σe prawo Ohma Wewnątrz przewodnika E = 0; jest to prawdą dla ładunków stacjonarnych (J 0); E = J/σ = 0 dlaσ. V =IR inna postać prawa Ohma E = 1 σ J = 0 dla prądu stałego i jednorodnegoσ; gęstość ładunku jest równa zeru P =VI =I 2 R prawo Joule a;p moc wydzielana

7.1.2 Siła elektromotoryczna f = f źr + E dwie siły porzymujące prąd E f dl = f źr dl siła elektromotoryczna f = 0 E = f źr dla idealnego źródła (σ ) V = b a E dl = b a f źr dl =E różnica potencjałów pomiędzy biegunami baterii 7.1.3 SEM przewodnika poruszającego się w polu magnetycznym b c B x h R v a d E = Φ f magn dl =vbh B da strumień magnetyczny Φ =Bhx

dφ =Bh dx = Bhv E = dφ reguła strumienia 7.2 Indukcja elektromagnetyczna 7.2.1 Prawa Faradaya B I v v B I B I zmienne pole magnetyczne E = dφ Zmiana pola magnetycznego indukuje pole elektryczne! E = E dl = dφ E dl = B da

E = B prawo Faradaya E = dφ uniwersalna reguła strumienia Reguła Lenza: Natura nie znosi zmiany strumienia Indukowany prąd będzie płynął w takim kierunku, że dodatkowy strumień powstały w wyniku jego przepływu sprzeciwia się zmianie pierwotnego strumienia. 7.2.2 Indukowane pole elektryczne E = B B =µ 0 J E = 0 dla pola czysto faradayowskiego (ρ = 0) B = 0 zawsze Pole elektryczne indukowane ( przez ) zmiany pola magnetycznego określone jest wielkością dokładnie w taki sam sposób, jak B indukcja pola magnetostatycznego przezµ 0 J

B dl =µ 0 I c E dl = dφ Przykład: Jednorodne pole magnetyczne o indukcji B(t) skierowane pionowo do góry wypełnia kołowy obszar zaznaczony kolorem na rysunku. Jakie pole elektryczne się indukuje, jeśli indukcja magnetyczna B zmienia się w czasie? B(t) s kontur Ampère a E dl =E(2πs) = dφ = d [πs2 B(t)] = πs 2 db E = s 2 db ˆφ

Przykład: Ładunek o gęstości liniowej λ przyklejony jest do obwodu koła o promieniu b położonego w płaszczyźnie poziomej, które może swobodnie się obracać (szprychy koła wykonane są z izolatora). W obszarze środkowym, ograniczonym promieniem a, indukcja pola magnetycznego B 0 jest skierowana pionowo ku górze. Nagle pole magnetyczne zostaje wyłączone. Co będzie się działo z kołem? B 0 E a kierunek obrotu b dl λ E dl = dφ = πa2 db r F bλe dl moment siły działający na dl N =bλ N = λπa 2 b E dl = bλπa 2 db 0 B 0 db =λπa 2 bb 0 całkowity moment siły moment pędu jaki zyskuje koło To pole elektryczne powoduje obrót koła. Siły magnetyczne nie wykonują pracy.

7.2.3 Indukcyjność B 1 B 1 B 1 pętla 2 dl 2 pętla 2 dl 1 pętla 1 I 1 pętla 1 B 1 = µ 0 4π I dl1 ˆR 1 R 2 indukcja B 1 wytwarzana prze pętlę 1 Φ 2 = B 1 da 2 strumień przez pętlę 2 Φ 2 =M 21 I 1, M 21 współczynnik indukcyjności wzajemnej Φ 2 = A 1 = µ 0I 1 4π Φ 2 = µ 0I 1 4π B 1 da 2 = dl1 R ( ) dl1 dl 2 R ( A 1 ) da 2 = A 1 dl 2 M 21 = µ 0 4π dl1 dl 2 R wzór Neumanna M 21 =M 12 =M jest wielkością czysto geometryczną

E 2 = dφ 2 = M di 1 zmieniamy natężenie prądu w pętli 1 Zmiana natężenia prądu w pętli 1 indukuje SEM w pętli 2, pomimo tego, że pomiędzy pętlami nie ma połączenia elektrycznego! Zmiana natężenia prądu indukuje SEM także w tej samej pętli, w której zmienia się natężenie prądu. Φ =LI E = L di, L indukcyjność własna obwodu 7.2.4 Energia pola magnetycznego Praca wykonana nad jednostkowym ładunkiem przeciw przeciwstawnej SEM podczas jednego obiegu obwodu jest równa E dw = EI =LI di całkowita praca wykonana w jednostce czasu W = 1 2 LI2 Φ = B da = ( A) da = A dl LI = S A dl S P

W = 1 2 I W = 1 2 V W = 1 2µ 0 A dl = 1 2 (A J) dτ (A I) dl B =µ 0 J A ( B) dτ prawo Ampère a (A B) = B ( A) A ( B) pochodne iloczynów A ( B) = B B (A B) W = 1 2µ 0 = 1 2µ 0 [ V B 2 dτ B 2 dτ S ] (A B) dτ (A B) da W el = 1 2 W magn = 1 2 W = 1 2µ 0 cała przestrzeń (Vρ) dτ = ǫ 0 E 2 dτ 2 (A J) dτ = 1 B 2 dτ 2µ 0 B 2 dτ

Przykład: Przez długi kabel koncentryczny płynie prąd o natężeniu I (prąd płynie w prawo po powierzchni wewnętrznego walca o promieniuaiwraca po powierzchni zewnętrznego walca o promieniu b. Znaleźć energię pola magnetycznego zmagazynowaną na odcinku kabla o dłuości l. I b a I B = µ 0I 2πs ˆφ w obszarze pomiędzy walcami ( ) 2 1 µ0 I = µ 0I 2 2µ 0 2πs 8π 2 s 2 gęstość energii ( µ0 I 2 ) 8π 2 s 2 2πls ds = µ 0I 2 ( ) l ds energia w powłoce o promieniu 4π s s i grubości ds W = µ 0I 2 ( ) l b 4π ln a L = µ 0l 2π ln ( b a )

7.3 Równania Maxwella 7.3.1 Elektrodynamika przed Maxwellem (i) E = 1 ǫ 0 ρ (prawo Gaussa) (ii) B = 0 (bez nazwy) (iii) E = B (prawo Faradaya) (iv) B =µ 0 J (prawo Ampère a) ( ) ( E) = }{{} =0 ( B) }{{} =0 B =µ 0 ( J }{{}) problem! 0 = ( B }{{}) OK =0 kontur Ampère a kondensator ładowanie kondensatora I bateria B dl =µ 0 I c dla zielonej powierzchnii c =I dla niebieskiej powierzchnii c = 0 Prawo Ampère a załamuje się w przypadku gdy prądy nie są stałe.

7.3.2 Jak Maxwell poprawił prawo Ampère a J = ρ ( ) = (ǫ E 0 E) = ǫ 0 B =µ 0 J +µ 0 ǫ 0 E Zmiana pola elektrycznego indukuje pole magnetyczne. J p ǫ 0 E gęstość prądu przesunięcia kontur Ampère a kondensator ładowanie kondensatora I bateria E = 1 ǫ 0 σ = 1 ǫ 0 Q A E = 1 ǫ 0 A dq = 1 ǫ 0 A I natężenie pola pomiędzy okładkami kondensatora B dl =µ 0 I c +µ 0 ǫ 0 ( E ) da =µ 0 I dla obu powierzchni

7.3.3 Równania Maxwella (i) E = 1 ǫ 0 ρ (prawo Gaussa) (ii) B = 0 (bez nazwy) (iii) (iv) E = B (prawo Faradaya) B =µ 0 J +µ 0 ǫ 0 E (prawo Ampère a z poprawką Maxwella) F =q(e + v B) siła Lorentza Równania Maxwella wraz z równaniem na siłę Lorentza oraz odpowiednimi warunkami brzegowymi opisują całą klasyczną elektrodynamikę. Równania Maxwella (i) E = 1 ǫ 0 ρ (prawo Gaussa) (ii) B = 0 (bez nazwy) (iii) (iv) E + B = 0 B µ 0 ǫ 0 E =µ 0 J (prawo Faradaya) (prawo Ampère a z poprawką Maxwella) Bardziej logiczny zapis równań Maxwella: źródła pól ρ i J znajdują się po prawej stronie, a wytwarzane pola po lewej stronie równań.

7.3.4 Równania Maxwella w materii ρ zw = P ładunki związane J zw = M prądy związane da P przypadek niestacjonarny: zmiana polaryzacji elektrycznej +σ zw σ zw di = σ zw da = P da J p = P gęstość prądu polaryzacji J = P p = ( P ) = ρ zw równanie ciągłości ρ =ρ sw +ρ zw =ρ sw P J = J sw + J zw + J p = J sw + M + P E = 1 ǫ 0 (ρ sw P ) prawo Gaussa D =ρ sw

D ǫ 0 E + P B =µ 0 ( J sw + M + P ) +µ 0 ǫ 0 E H = J sw + D H 1 µ 0 B M Równania Maxwella w materii (i) D =ρ sw (prawo Gaussa) (ii) B = 0 (bez nazwy) (iii) (iv) E = B (prawo Faradaya) H = J sw + D (prawo Ampère a z poprawką Maxwella) Równania materiałowe (ośrodki liniowe) P =ǫ 0 χ e E, M =χ m H D =ǫe, H = 1 µ B

ǫ ǫ 0 (1 +χ e ), µ µ 0 (1 +χ m ) J p = D prąd przesunięcia 7.3.5 Warunki brzegowe Równania Maxwella w postaci całkowej (i) D da =Q sw S po dowolnej zamkniętej (ii) B da = 0 powierzchni S S (iii) E dl = d B da po dowolnej powierzchni P S (iv) H dl =I swc + d S, której brzegiem jest D da zamknięta krzywa P P S

a D 1 σ sw D 2 D 1 a D 2 a =σ sw a D 1 D 2 =σ sw B 1 B 2 = 0 ˆn l K sw E 1 l E 2 l = d S B da E 1 E 2 = 0 H 1 l H 2 l =I swc I swc = K sw ( ˆn l) = (K sw ˆn) l

H 1 H 2 = K sw ˆn Ośrodki liniowe (i) ǫ 1 E 1 ǫ 2E 2 =σ sw (ii) B 1 B 2 = 0 (iii) E 1 E 2 = 0 (iv) 1 µ 1 B 1 1 µ 2 B 2 = K sw ˆn