Elektrodynamika Część 4 Magnetostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Podobne dokumenty
Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

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

Elektrodynamika Część 10 Promieniowanie Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

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

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Ramka z prądem w jednorodnym polu magnetycznym

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Magnetyzm cz.i. Oddziaływanie magnetyczne Siła Lorentza Prawo Biote a Savart a Prawo Ampera

ver magnetyzm

Pole elektromagnetyczne

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

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

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

Promieniowanie dipolowe

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

Magnetyzm cz.i. Oddziaływanie magnetyczne Siła Lorentza Prawo Biote a Savart a Prawo Ampera

Fale elektromagnetyczne

POLE MAGNETYCZNE ŹRÓDŁA POLA MAGNETYCZNEGO

dr inż. Zbigniew Szklarski

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

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Wykład 14: Indukcja cz.2.

Elektrostatyka, cz. 1

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

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

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

Ładunek elektryczny. Zastosowanie równania Laplace a w elektro- i magnetostatyce. Joanna Wojtal. Wprowadzenie. Podstawowe cechy pól siłowych

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

POLE MAGNETYCZNE. Magnetyczna siła Lorentza Prawo Ampere a

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

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Elektrostatyka. Prawo Coulomba Natężenie pola elektrycznego Energia potencjalna pola elektrycznego

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

Kinematyka: opis ruchu

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

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

Elektrodynamika Część 8 Fale elektromagnetyczne Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI

Fale elektromagnetyczne

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

Magnetyzm. Magnetyzm zdolność do przyciągania małych kawałków metalu. Bar Magnet. Magnes. Kompas N N. Iron filings. Biegun południowy.

Indukcja elektromagnetyczna Faradaya

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

Obliczanie indukcyjności cewek

5) W czterech rogach kwadratu o boku a umieszczono ładunki o tej samej wartości q jak pokazano na rysunku. k=1/(4πε 0 )

Linie sił pola elektrycznego

10 Udowodnić, że rozwiązanie równania Laplace a nie może posiadać lokalnych ekstremów we wnętrzu obszaru na którym może być określone.

Zadania z Elektrodynamiki

Fizyka 2 Wróbel Wojciech

Teoria pola elektromagnetycznego

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Podstawy fizyki sezon 2 5. Pole magnetyczne II

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Moment pędu fali elektromagnetycznej

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

Efekt naskórkowy (skin effect)

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

Pojęcie ładunku elektrycznego

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

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Kinematyka: opis ruchu

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zadania na zaliczenie ćwiczeń z Elektrodynamiki

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

Wyznaczanie parametrów linii długiej za pomocą metody elementów skończonych

ver magnetyzm cd.

Rozdział 4. Pole magnetyczne przewodników z prądem

VIII. VIII.1. ORBITALNY MOMENT MAGNETYCZNY ELEKTRONU, L= r p (VIII.1.1) p=m v (VIII.1.2) L= L =mvr (VIII.1.1a) r v. r=v (VIII.1.3)

LXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY III STOPNIA

Elektrostatyczna energia potencjalna U

Kinematyka płynów - zadania

Prawa ruchu: dynamika

Odp.: F e /F g = 1 2,

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

R o z d z i a ł 2 KINEMATYKA PUNKTU MATERIALNEGO

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

Elektrodynamika. Część 8. Fale elektromagnetyczne. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Indukcja elektromagnetyczna

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

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

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

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

Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika...

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Transkrypt:

Elektrodynamika Część 4 Magnetostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM http://zon8.physd.amu.edu.pl/\~tanas

Spis treści 5 Magnetostatyka 3 5.1 Siła Lorentza........................ 3 5.2 Prawo Biota-Savarta.................... 14 5.3 Dywergencja i rotacja B.................. 22 5.4 Magnetyczny potencjał wektorowy............ 33

5 Magnetostatyka 5.1 Siła Lorentza 5.1.1 Pole magnetyczne ÔÖ Ð Ò ÔÓÐ Ñ Ò ØÝÞÒ Ó

5.1.2 Siły magnetyczne I I v F B F mag = Q(v B) siła Lorentza ÔÖÞ ÛÓ Ò ½ ÔÖÞ ÛÓ Ò ¾ F = Q[E + (v B)], siła w obecności obydwu pól

Przykład: Ruch cyklotronowy. W stałym polu magnetycznym B ładunek Q porusza się po okręgu o promieniu R lub po spirali z z B B B B x R F v Q y x F v Q y QvB = m v2 R, p = QBR wzór cyklotronowy

Przykład: Ruch po cykloidzie. Obok stałego pola magnetycznego B działa prostopadłe do B pole elektryczne E. z E x B a b c y (0, y(t), z(t)) wektor położenia v = (0, ẏ, ż) wektor prędkości

v B = ˆx ŷ ẑ 0 ẏ ż B 0 0 = Bżŷ Bẏẑ F = Q(E + v B) = Q(Eẑ + Bżŷ Bẏẑ) = ma = m(ÿŷ + zẑ) QBż = mÿ, QE QBẏ = m z ω QB m ÿ = ωż, częstość cyklotronowa ( ) E z = ω B ẏ, równania ruchu

y(t) = C 1 cos ωt + C 2 sin ωt + E B t + C 3 z(t) = C 2 cos ωt C 1 sin ωt + C 4 rozwiązania ẏ(0) = ż(0) = 0, y(0) = z(0) = 0, warunki początkowe y(t) = E (ωt sin ωt), ωb z(t) R = E ωb, definiujemy (y Rωt) 2 + (z R) 2 = R 2, v = ωr = E B = E (1 cos ωt), ωb rozwiązania równanie okręgu o promieniu R, którego środek (0, Rωt, R) porusza się wzdłuż y ze stałą prędkością (patrz: animacja)

Siły magnetyczne nie wykonują pracy. dw mag = F mag dl = Q(v B) v dt = 0 5.1.3 Prądy λ v P v t Ładunek liniowy o gęstości λ poruszający się z prędkością v daje prąd I = λv I = λv wektor natężenia prądu nietypowa definicja

F mag = (v B) dq = (v B)λ dl = (I B) dl F mag = I F mag = I( dl B) siła magnetyczna ( dl B) jeśli I jest stałe

przepływ dl K K di dl K = σv F mag = powierzchniowa gęstość prądu (v B)σ da = (K B) da Sprzeciw: indukcja magnetyczna B jest nieciągła na powierzchniach, po których płyną prądy powierzchniowe! Musimy posługiwać się uśrednioną indukcją.

J da J di da objętościowa gęstość prądu J = ρv F mag = (v B)ρ dτ = (J B) dτ

I = S V S J da = S J da natężenie prądu płynącego przez powierzchnię S całkowity ładunek wypływający z J da = ( J) dτ obszaru V w jednostce czasu V ( J) dτ = d ( ) ρ ρ dτ = dτ dt t V J = ρ t V równanie ciągłości

5.2 Prawo Biota-Savarta 5.2.1 Prądy stałe Ładunki stacjonarne stałe pole elektryczne: elektrostatyka Stałe prądy stałe pole magnetyczne: magnetostatyka ρ t = 0, J = 0 w magnetostatyce

5.2.2 Pole magnetyczne liniowego prądu stałego z P I r R x dl y B(r) = µ 0 I ˆR 4π R 2 dl = µ 0 4π I [ ] N µ 0 = 4π 10 7 A 2 dl ˆR R 2 prawo Biota-Savarta przenikalność magnetyczna próżni

1 T = 1 [ ] N Am indukcja magetyczna B mierzona jest w teslach 1 T = 10 4 gausów Pole magnetyczne Ziemi ma indukcję około 0.5 gausa.

Przykład: Znaleźć indukcję pola magnetycznego w odległości s od długiego przewodnika prostoliniowego, przez który płynie prąd o natężeniu I. P P θ θ 1 θ 2 s R s R I l α dl l I º }{{} Ö Ñ ÒØ ÔÖÞ ÛÓ Ò wektor ( dl ˆR) ma długość dl sin α = dl cos θ l = s tgθ dl = s cos 2 θ dθ

s = R cos θ 1 R 2 = cos2 θ s 2 B = µ 0I 4π θ 2 θ 1 ( cos 2 θ s 2 ) ( s ) cos 2 θ cos θ dθ = µ 0I 4πs θ 2 θ 1 cos θ dθ = µ 0 I 4πs (sin θ 2 sin θ 1 ) dla fragmentu B = µ 0I 2πs dla nieskończonego przewodnika

I 1 I 2 d (1) (2) F mag = I ( dl B) siła Lorentza ( µ0 I 1 F = I 2 2πd f = µ 0 I 1 I 2 2π d ) dl całkowita siła jest nieskończona siła na jednostkę długości

Przykład: Znaleźć pole magnetyczne na prostej przechodzącej przez środek kołowej pętli o promieniu R z prądem stałym o natężeniu I, prostopadłej do płaszczyzny pętli, w odległości z od tej płaszczyzny. B θ db I z R R θ dl B(z) = µ 0 4π I dl R 2 cos θ składowe pionowe dodają się

dl i ˆR są prostopadłe, cos θ i R 2 są stałe, dl = 2πR B(z) = µ 0I 4π ( ) cos θ R 2 2πR = µ 0I 2 R 2 (R 2 + z 2 ) 3/2 B(r) = µ 0 4π B(r) = µ 0 4π K(r ) ˆR R 2 da dla prądów powierzchniowych J(r ) ˆR R 2 dτ dla prądów objętościowych

5.3 Dywergencja i rotacja B 5.3.1 Prądy prostoliniowe B B dl = µ0 I 2πs dl = µ 0I 2πs dl = µ 0 I rotacja jest różna od zera

B = µ 0I 2πs ˆφ, we współrzędnych walcowych (s, φ, z) dl = ds ŝ + s dφ ˆφ + dz ẑ B dl = µ 0I 2π 1 s s dφ = µ 0I 2π 2π 0 dφ = µ 0 I Przy założeniu, że kontur okrąża przewodnik tylko raz. kontur Jeśli kontur nie otacza przewodnika przewodnik φ 2 φ 1 to dφ = 0; φ zmienia się od φ 1 do φ 2 i z powrotem

I 1 I 5 I 6 I 3 I 2 I 4 wiązka przewodników; każdy przewodnik otaczany przez kontur daje wkład równy ±µ 0 I; przewodnik nie otaczany przez kontur nie daje wkładu B dl = µ 0 I c, I c jest całkowitym natężeniem prądu I c = J da, J objętościowa gęstość prądu ( B) da = µ 0 J da, z twierdzenia Stokesa B = µ 0 J prawo Ampère a

5.3.2 Dywergencja i rotacja B dτ (x, y, z ) R (x, y, z) B(r) = µ 0 4π J(r ) ˆR R 2 dτ, prawo Biota-Savarta R = (x x ) ˆx + (y y )ŷ + (z z )ẑ dτ = dx dy dz B = µ 0 4π ( J ˆR R 2 ) dτ

( J ˆR R 2 ) = ˆR ( J) J R2 ( ˆR R 2 ) J = 0, J nie zależy od nieprimowanych zmiennych ˆR R 2 = 0 B = 0 Dywergencja indukcji magnetycznej jest równa zeru

B = µ ( 0 J ˆR ) 4π R ( 2 J ˆR ) ( ) ˆR R 2 = J R 2 dτ (J ) ˆR R 2 }{{} (A B) = (B )A (A )B + A( B) B( A) }{{}}{{} =0 =0 Pochodne J są równe zeru bo J nie zależy od nieprimowanych zmiennych. ( ) ˆR = 4πδ 3 (R) B = µ 0 4π R 2 =0 J(r ) 4πδ 3 (r r ) dτ = µ 0 J(r) prawo Ampère a

(J ) ˆR R 2 = (J ) ˆR R 2 pokażemy, że się zeruje ( x x (J ) R 3 skorzystaliśmy z ) = [ x x R 3 ] J ( ) x x R 3 (fa) = f( A) + A ( f) ( J) }{{} =0 [ (J ) ˆR ] [ (x x R 2 = ) R [ 3 x (x x ] ) J dτ = V R 3 S ] J (x x ) R 3 J da = 0 Na brzegu obszaru J = 0.

5.3.3 Zastosowanie prawa Ampère a ( B) da = B = µ 0 J prawo Ampère a B dl = µ 0 J da B dl = µ 0 I c całkowa postać prawa Ampère a I c całkowity prąd otoczony konturem Elektrostatyka: prawo Coulomba prawo Gaussa Magnetostatyka: prawo Biota-Savarta prawo Ampère a

Przykład: Znaleźć indukcję pola magnetycznego w odległości s od długiego przewodnika prostoliniowego, przez który płynie prąd stały o natężeniui. kontur Ampère a s B I B dl = B dl = B 2πs = µ 0 I c = µ 0 I, z prawa Ampère a B = µ 0I 2πs

Przykład: Znaleźć indukcję pola magnetycznego od nieskończonej płaszczyzny z prądem powierzchniowym K = K ˆx. płynącym w płaszczyźnie xy. z prąd powierzchniowy K l kontur Ampère a x y B = B dl = 2Bl = µ 0 I c = µ 0 Kl +(µ 0 /2)Kŷ dla z < 0 (µ 0 /2)Kŷ dla z > 0

5.3.4 Porównanie magnetostatyki i elektrostatyki + E B E = 1 ɛ 0 ρ E = 0 prawo Gaussa B = 0 B = µ 0 J prawo Ampère a

5.4 Magnetyczny potencjał wektorowy 5.4.1 Potencjał wektorowy B = 0, ( A) 0 B = A B = ( A) = ( A) 2 A = µ 0 J A = 0 A = A 0 + λ, A = A 0 + 2 λ 2 λ = A 0

λ = 1 4π A0 R dτ, jeśli A 0 znika w nieskończoności Możemy zawsze wybrać A = 0 2 A = µ 0 J prawo Ampère a A(r) = µ 0 4π A(r) = µ 0 4π J(r ) R dτ jeśli J znika w nieskończoności I R dl = µ 0I 1 4π R dl, dla prądów liniowych

A(r) = µ 0 4π K R da, dla prądów powierzchniowych Przykład: Powierzchnia sferyczna o promieniu R naładowana ładunkiem powierzchniowym σ wiruje z prędkością kątową ω. Znaleźć potencjał wektorowy w punkcie r. z z ω ω r R R Ψ r r da Ψ θ φ x y x y

A(r) = µ 0 4π K(r ) R da K = σv, R = R 2 + r 2 2Rr cos θ, da = R 2 sin θ dθ dφ ˆx ŷ ẑ v = ω r = ω sin Ψ 0 ω cos Ψ R sin θ cos φ R sin θ sin φ R cos θ 2π sin φ dφ = = Rω[ (cos Ψ sin θ sin φ ) ˆx 2π + (cos Ψ sin θ cos φ sin Ψ cos θ )ŷ + sin Ψ sin θ sin φ ẑ] cos φ dφ = 0 0 0

A(r) = µ 0R 3 σω sin Ψ 2 u cos θ +1 1 π 0 cos θ sin θ R2 + r 2 2Rr cos θ dθ ŷ u R2 + r 2 Rru du = + r 2 + 2Rru R2 3R 2 r 2 R2 + r 2 2Rru = 1 3R 2 r 2 [ (R 2 + r 2 + Rr) R r (R 2 + r 2 Rr)(R + r) A(r) = ω r = ωr sin Ψ ŷ µ 0 Rσ 3 (ω r) dla r < R µ 0 R 4 σ (ω r) 3r 3 dla r > R ] +1 1

Po przejściu do naturalnych zmiennych gdzie ω jest wzdłuż osi z, mamy µ 0 Rωσ 3 r sin θ ˆφ dla r R A(r, θ, φ) = µ 0 R 4 ωσ 3 B = A = 2µ 0Rωσ 3 sin θ r 2 ˆφ dla r R (cos θ ˆr sin θ ˆθ) = 2 3 µ 0σRωẑ = 2 3 σrω Pole indukcji B wewnątrz sfery jest jednorodne.

5.4.2 Magnetostatyczne warunki brzegowe B nad K B pod B = 0 B da = 0 B nad = B pod

l K B nad B pod B dl = (B nad B pod )l = µ 0I c = µ 0 Kl B nad B pod = µ 0K B nad B pod = µ 0 (K ˆn)

A nad = A pod potencjał wektorowy jest ciągły A = 0 gwarantuje ciągłość składowej normalnej A = B A dl = B da = Φ A nad n A pod n = µ 0 K ciągłość składowej stycznej

5.4.3 Multipolowe rozwinięcie potencjału wektorowego z P I x O θ r r dr = dl R y 1 R = 1 = 1 r 2 + r 2 2rr cos θ r n=0 ( r r ) n P n (cos θ )

A(r) = µ 0I 4π A(r) = µ 0I 4π dl = 0, [ 1 r + 1 r 3 A dip (r) = µ 0I 4πr 2 1 R dl = µ 0I 4π dl + 1 r 2 n=0 1 r n+1 r cos θ dl (r ) 2 ( 3 2 cos2 θ 1 2 ) (r ) n P n (cos θ ) dl dl + nie ma monopola magnetycznego ( ˆr r ) dl = ˆr r cos θ dl = µ 0I 4πr 2 da ] ( ˆr r ) dl

m I da = Ia A dip (r) = µ 0 4π m ˆr r 2 magnetyczny moment dipolowy

Przykład: Znaleźć magnetyczny moment dipolowy pętli z prądem o natężeniu I przedstawionej na rysunku. z w w x w I y m = Iw 2 ŷ + Iw 2 ẑ

z P θ r x m φ y A dip (r) = µ 0 4π m sin θ r 2 ˆφ potencjał dipola m umieszczonego w początku układu współrzędnych B dip (r) = A = µ 0m (2 cos θ ˆr + sin θ ˆθ) 4πr3

z z y y pole czystego dipola B dip (r) = µ 0 4π 1 [3(m ˆr) ˆr m] r3 pole fizycznego dipola indukcja magnetyczna dipola w postaci niezależnej od układu współrzędnych