Jak policzyć pole magnetyczne? Istnieją dwie metody wyznaczenia pola magnetycznego: prawo Biot Savarta i prawo Ampera.

Podobne dokumenty
Wstęp. Prawa zostały znalezione doświadczalnie. Zrozumienie faktu nastąpiło dopiero pod koniec XIX wieku.

Zjawisko indukcji. Magnetyzm materii.

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI. W roku 1820 Oersted zaobserwował oddziaływanie przewodnika, w którym płynął

podsumowanie (E) E l Eds 0 V jds

Pole magnetyczne. 5.1 Oddziaływanie pola magnetycznego na ładunki. przewodniki z prądem Podstawowe zjawiska magnetyczne

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI - CD. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na powstawaniu prądu elektrycznego w

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

PRĄD ELEKTRYCZNY I SIŁA MAGNETYCZNA

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

- substancje zawierające swobodne nośniki ładunku elektrycznego:

ZJAWISKA ELEKTROMAGNETYCZNE

Wykład 10. Reinhard Kulessa 1

magnetyzm cd. ver

Podstawy fizyki sezon 2 6. Indukcja magnetyczna

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

Wykład Półprzewodniki

a fale świetlne Powtórzenie; operatory róŝniczkowe Wektorowe równanie falowe (3D) Fale wyraŝone przez zespolone amplitudy r r r 2 r r r r E E E 1 E

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

Na skutek takiego przemieszcznia ładunku, energia potencjalna układu pole-ładunek zmienia się o:

OSERWACJE POLA MAGNETYCZNEGO Pole magnetyczne wytwozone jest np. pzez magnes stały......a zauważyć je można np. obsewując zachowanie się opiłków żelaz

Wykład 14: Indukcja cz.2.

INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA; PRAWO FARADAYA

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

Pole magnetyczne prąd elektryczny

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

magnetyzm ver

Guma Guma. Szkło Guma

Elektrostatyka. + (proton) - (elektron)

Wykład Pojemność elektryczna. 7.1 Pole nieskończonej naładowanej warstwy. σ-ładunek powierzchniowy. S 2 E 2 E 1 y. ds 1.

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

Wykład: praca siły, pojęcie energii potencjalnej. Zasada zachowania energii.

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

Magnetyzm. A. Sieradzki IF PWr. Pole magnetyczne ŁADUNEK ELEKTRYCZNY ŁADUNEK MAGNETYCZNY POLE ELEKTRYCZNE POLE MAGNETYCZNE

ε = dw dq. (25.1) Rys Obwód o jednym oczku

Badanie siły elektromotorycznej Faraday a

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

1. Prawo Ampera i jego uzupełnienie przez Maxwella

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

Fale elektromagnetyczne

= ± Ne N - liczba całkowita.

Podstawy fizyki sezon 2 6. Równania Maxwella

Źródła pola magnetycznego

23 PRĄD STAŁY. CZĘŚĆ 2

Prawo Gaussa. Potencjał elektryczny.

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Karta wybranych wzorów i stałych fizycznych

Widmo fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

POLE MAGNETYCZNE: PRAWO GAUSSA, B-S TRANSFORMACJE RELATYWIST. POLA E-M STACJONARNE RÓWNANIA MAXWELLA

Atom (cząsteczka niepolarna) w polu elektrycznym

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

) 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.

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Podstawy elektrotechniki

cz.2 dr inż. Zbigniew Szklarski

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

E4. BADANIE POLA ELEKTRYCZNEGO W POBLIŻU NAŁADOWANYCH PRZEWODNIKÓW

BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

Indukcyjność. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

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

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

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

dr inż. Zbigniew Szklarski

Zadanie 1. Zadanie 2. Sprawdzam dla objętości, że z obwarzanków mogę posklejać całą kulę o promieniu R: r = {x, y, z}; A = * Cross r, B

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Przygotowanie do Egzaminu Potwierdzającego Kwalifikacje Zawodowe

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Podstawy fizyki sezon 2 5. Indukcja Faradaya

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

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Źródła pola magnetycznego:

Część I Pole elektryczne

3b. ELEKTROSTATYKA. r r. 4πε. 3.4 Podstawowe pojęcia. kqq0 E =

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Chemia Poziom rozszerzony

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

1. Ciało sztywne, na które nie działa moment siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym.

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Wykład 14. Część IV. Elektryczność i magnetyzm

Teoria Względności. Czarne Dziury

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

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

PRZEMIANA ENERGII ELEKTRYCZNEJ W CIELE STAŁYM

POLE MAGNETYCZNE Własności pola magnetycznego. Źródła pola magnetycznego

Fale elektromagnetyczne

MIERNICTWO WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I NIEELEKTRYCZNYCH

Oddziaływania fundamentalne

Wykład 15. Reinhard Kulessa 1

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

Modelowanie przepływu cieczy przez ośrodki porowate Wykład III

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

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

dr inż. Zbigniew Szklarski

MAGNETYZM. 1. Pole magnetyczne Ziemi i magnesu stałego.

Transkrypt:

Elektyczność i magnetyzm. Równania Maxwella Wyznaczenie pola magnetycznego Jak policzyć pole magnetyczne? Istnieją dwie metody wyznaczenia pola magnetycznego: pawo iot Savata i pawo mpea. Pawo iota Savata Pawo óżniczkowe. Rys 5. Pawo iot - Savata Natężenie pola magnetycznego wytwazanego w odległości od elementu dl wynosi: I dl dh = 3 (.1). 4 π zaś indukcja pola magnetycznego: µ I dl d= 3 4 π (.). Pzykład policzyć pole magnetyczne: a) odcinka postoliniowego, b) pzewodnika kołowego (okęgu).. Pawo mpea 1

Pawo mpea (od nazwiska fancuskiego fizyka nde Maie mpee) wiąże cykulację (kążenie) pola magnetycznego po kontuze zamkniętym l z natężeniem pądu pzechodzącego pzez powiezchnię wyznaczoną pzez tenże kontu l. dl= H Ii (.3). l i Pzykład: Obliczyć pole magnetyczne wytwazane pzez: a) nieskończony, postoliniowy pzewodnik o pomieniu R; b) selenoid o n zwojach (na jedn. długości) patz ysunek poniżej. Rys. 6 Selenoid, schemat Pole magnetyczne wytwazane pzez selenoid podobne jest do pola magnetycznego twałego magnesu. Rys. 7 Pole magnetyczne selenoidu i twałego magnesu.

Linie pola magnetycznego twozą zamknięte kzywe. Pzyjęto konwencję, e linie pola wypływają z bieguna północnego (N) i wpływają do bieguna południowego (S). Nie można podzielić magnesu na izolowane północne i południowe monopole. by zwiększyć pole magnetyczne (natężenie, indukcję pola magnetycznego) najpościej jest wypełnić dzeń selenoidu mateiałem o dużej względnej pzenikalności magnetycznej Rys. 8 Selenoid wypełniony powietzem (lewy ysunek) dzeniem żelaznym (pawy ysunek) Pawo Gaussa dla pola magnetycznego nalogicznie do pola elektycznego, możemy sfomułować pawo Gaussa dla pola magnetycznego: d= 0 lub div= 0 (4.1). Równanie 4.1 pzedstawia postać całkowa i óżniczkowa pawa Gaussa dla pola magnetycznego. Łatwo wykazać, że stumień indukcji pola magnetycznego pzechodzącego pzez dowolną powiezchnię zamkniętą jest ówny zeo. Pole magnetyczne jest polem bezźódłowym! Nie istnieją monopole magnetyczne. 3

Pole elektyczne i pole magnetyczne to nie są twoy niezależne od siebie. Pzeciwnie, pole magnetyczne wzbudza pole elektyczne a pole elektyczne może wzbudzać pole gametyczne. Jaki jest związek między tymi wielkościami? Mówi o tym pawo Faadaya 1. Pawo indukcji Faadaya Cykulacja, kążenie pola elektycznego definiujemy w sposób następujący (patz ysunek) Rys 1.1 Cykulacja pola elektycznego Edl = E cos( E, dl ) dl (1.1.1) Pawo Faadaya mówi, że cykulacja pola elektycznego wywołana jest zmianą pola magnetycznego. Edl = dφ (1.1.) Po podstawieniu definicji stumienia pola magnetycznego otzymamy następującą postać pawa Faaday a: C Edl = d d gdzie kontu C obejmuje powiezchnię. (1.1.3) 4

Pawo Faadaya mówi, że zmiana pola magnetycznego powoduje powstanie pola elektycznego. Znak minus występujący w ównaniach 1.1.3 i 1.1.4 jest to eguła Lentza. Pole elektyczne wzbudzane jest w takim kieunku, aby pzeciwdziałać zmianie pola magnetycznego, któa go wywołała. Rys. 1.1 Reguła Lentza. 1.1 Indukcja własna Weźmy cewkę indukcyjną N zwojach. Jeżeli pąd pzepływający pzez uzwojenie zmienia się, to zgodnie z pawe Faadaya zmienia się stumień pola magnetycznego, czyli w uzwojeniu cewki indukuje się siła elektomotoyczna indukcji SEM ówna: dφ ε SEM = N (1.1.5) Ostatecznie otzymujemy wzó: di ε SEM = L (1.1.6) gdzie I natężenie pądu płynącego w uzwojeniu cewki, L współczynnik indukcji, indukcyjność zwojnicy. 1. Indukcja wzajemna 5

Gdy mamy cewki, zmiana pądu w jednej może powodować indukowanie siły elektomotoycznej SEM w dugiej cewce. Stumień pzechodzący pzez dugą cewkę jest popocjonalny do zmian pądu w piewszej cewce (i na odwót). di di ε 1= M1 (1.1.7a) 1 ε = M 1 (1.1.7b) gdzie M 1, M 1 współczynniki indukcji wzajemnej. W idealnych waunkach, gdy cały stumień pola wytwazany pzez piewszą zwojnicę pzenika pzez uzwojenie dugiej zwojnicy wtenczas współczynnik M 1 jest ówny: M = (1.1.8a) 1 L1L W zeczywistości zawsze mamy staty, stąd M < (1.1.8b) 1 L1L Pawo Faadaya jest niezwykle ważne ze względu na zastosowania. Można powiedzieć, że pzemył enegetyczny, elektomaszynowy opaty jest na zastosowaniach pawa Faadaya. Dzięki temu pawu mamy silniki elektyczne, geneatoy pądu, tansfomatoy i wiele innych.. Równania Maxwella Równania Maxwella: zbió czteech ównań, zebanych pzez J. C. Maxwella, opisujących zachowanie pola elektycznego i magnetycznego oaz ich oddziaływanie z mateią. 6

James Clek Maxwell (1831 1879) Tabela 1. Równania Maxwella. I II III IV pawo Gaussa (dla pola elektycznego) pawo Gaussa (dla pola magnetycznego) pawo Faadaya pawo mpea (uzupełnione pzez Maxwella) l l Dd= Q d Edl Hdl = = 0 = d jd+ d D t d Piewsze ównanie Maxwella: pole elektyczne jest polem źódłowym, istnieją ładunki elektyczne. Dugie ównanie Maxwella: pole magnetyczne jest polem bezźódłowym, nie istnieją monopole magnetyczne. Tzecie ównanie Maxwella to pawo Faadaya o indukcji. Zmienny stumień pola magnetycznego powoduje powstanie pola elektycznego. 7

Czwate ównanie Maxwella to pawo mpea z dodanym członem odpowiedzialnym za tzw. pąd pzesunięcia. Pądy i zmienne pole elektyczne powodują powstanie pola magnetycznego. Znaczenie wielkości występujących w ównaniach Maxwella: Tabela. Oznaczenia użyte w ównaniach Maxwella. Oznaczenie Nazwa Powiązania E natężenie pola elektycznego D = ε 0 ε D indukcja pola elektycznego E H natężenie pola magnetycznego indukcja pola magnetycznego = µ 0 µ H gęstość pądu j di ρ d gadϕ () div ot µ 0,ε 0 ε gęstość ładunku j = óżniczkowy element powiezchni, nomalny do tej powiezchni dl óżniczkowy element kzywej L zawieającej powiezchnię opeato nabla (w układzie katezjańskim),, x y z gadient funkcji skalanej ϕ ϕ ϕ,, x y z dywegencja funkcji wektoowej x y (źódłowości) ( ) = + x y otacja funkcji wektoowej (cykulacja, kążenie) ot= pzenikalność magnetyczna, 1 c = elektyczna, póżni ε 0µ 0 µ, względna pzenikalność magnetyczna, elektyczna, mateiału ds + z z Konsekwencje ównań Maxwella. 8

.1 Zasada zachowania ładunku Z ównań Maxwella można otzymać związek między natężeniem pądu a zmianą ładunku. Opisuje to ównanie: div j ρ = t (1..3) Całkowity pąd wypływający pzez dowolną powiezchnię zamkniętą jest ówny zmianie ładunku (ze znakiem minus) zawatej wewnątz tej powiezchni. Jest to teść zasady zachowania ładunku.. Pole elektomagnetyczne w póżni W póżni, w nieobecności ładunków i pądów, ównania Maxwella pzybioą postać: D d = 0 d = 0 ; l Edl = d d D ; Hdl = d t l Rozwiązaniem powyższego układu ównań óżniczkowych jest ównanie fali. Dla pzypadku fali jednowymiaowej ównanie fali pzybiea postać: E x x 1 = c = 1 c E t t dla pola elektycznego (E) i magnetycznego (). (..3a) (..3b) Rozwiązaniem ównań..3 jest zmienne pole elektyczne i magnetyczne o ównaniach, odpowiednio: E= E0 sin( ω t kx) = 0 sin( ω t kx) (..4) 9

Oczywiście ozpatujemy fale jednowymiaową, i ozwiązania (.4) słuszne są dla fali jednowymiaowej. Zgodnie z ównaniami Maxwella iloaz amplitud pola magnetycznego i elektycznego jest związana zależnością: E 0 = c 0 (..5) gdzie c pędkość światła. Pole magnetyczne jest postopadłe do pola elektycznego, zaś iloczyn wektoowy E x wyznacza kieunek popagacji fali elektomagnetycznej Pzykład fali elektomagnetycznej ukazuje ysunek poniżej. Rys. Fala elektomagnetyczna Widmo fal elektomagnetycznych Okycie fal elektomagnetycznych (koniec XIX w.) jest wielkim osiągnięciem wynikającym z ównań Maxwella. Dzięki falom adiowym mamy adio, TV, aday, telefony komókowe, mikofalówki, etc. 10

Rys. Widmo fal elektomagnetycznych. Rys. Widmo fal elektomagnetycznych. Rys. Widmo w zakesie widzialnym, długość fali w nm. 11

Jak powstaje światło? Słońce jest najważniejszym źódłem światła. Widmo pomieniowana elektomagnetycznego wytwazanego pzez słońce. Dlaczego widzimy w tym zakesie długości fali? Rośliny i światło zjawisko fotosyntezy Rys. Wykes absopcji światła pzez chloofil Dwa maksima absopcji: w świetle niebieski i czewonym, odpowiadają one enegii światła niezbędnego do pocesu fotosyntezy. Fotosynteza: ogólne ównanie eakcji 1

6 CO + 6 H 0 C 6 H 1 O 6 + 6 O dwutlenek woda światło!!! cukie tlen węgla Uwaga: poces złożony. Niezbędne światło dostawca enegii do eakcji. Fotosynteza poces dwuetapowy, patz dwa maksima na wykesie absopcji światła widzialnego pzez chloofil. Minimum absopcji w zakesie światła zielonego. Oznacza to, że to światło jest odbijane pzez ośliny. Dlatego ośliny są zielone. I dlatego my widzimy w zakesie optycznym 400 700 nm. Dowód na wspólne początki wszystkich żywych stwozeń. 13