Elektromagnetisme  Licht

Presentatie over: "Elektromagnetisme  Licht"— Transcript van de presentatie:

1 Elektromagnetisme  Licht
Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme  Licht

2 Inhoud Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme  Licht
Elektromagnetische inductie & wet van Faraday II. Zelfinductie & energie III. Maxwell vergelijkingen & elektromagnetische golven Griffiths Chapter 7: Electromotive Force: §7.1 Electromagnetic Induction: §7.2 t/m §7.2.2

3 Wet van Ohm Voorbeelden

4 Waarom stroomt lading? J Jf met f kracht/lading
Materiaal []=(m)-1 ___________________________ geleider koper 10+7 goud 10+7 half-geleider silicium germanium isolator rubber glas water 10-6 Jf met f kracht/lading Jf  heet de “geleiding” d.w.z. geleiders:  isolatoren: 0 tijd (t) waarom J slechts  f ? (empirisch verband) kracht/lading f * batterij * van de Graaff * dynamo * etc. |v|  tijd |v|  constant

5 V.b. draadstuk V=IR Wet van Ohm A l V=0 V=V J=fE I R0  l  2R0 Rl
Let op: =  E=0, R=0, V=constant (ideale geleider; nu echte geleider!) R0  l  A V.b. koperdraad: 1 meter lang  1 mm  Opp=0.75 mm2 =610+7 (m)-1 R=1/(610+70.7510-6) 0.02  2R0 Rl  2l  R0 /4 R1/A A

6 Vragen e- I. Hoe snel “driften” de elektronen in een stroomdraad? I=1A
1 mm  Opp0.75mm2 NA=610+23/Mol 63.5g/Mol ZCu=29; 2e-/Cu Cu9g/cm3  #e-/m3 1.710+29 e- II. Waarom is de stroom “direct” aan? ophoping van e- I lokale ophoping  vertraagt inkomende e-  versnelt uitgaande e- dus: automatisch “compensatie” mechanisme & instantaan! Tenslotte: de stroom is een collectief effect d.w.z. de elektronen zijn net een rij dominostenen: beginnen allemaal tegelijk te bewegen!

7 Elektromotorische kracht (EMK)
Definitie EMK Inductie Voorbeelden

8 Definitie EMK fb E E v.b.: voor een kring met: - batterij met V0
Voor alle duidelijkheid (hoop ik): - dit is dus een statische opstelling  kringintegraal van E is nul - klein E-veld in de draad - groot (tegengesteld) E-veld in de “batterij” - chemie in batterij pompt elektronen tegen het veld in van de + pool naar de – pool  fb fb statisch0 v.b.: voor een kring met: - batterij met V0 - constante stroomdichtheid |J|=I/A zie hiervoor

9 Inductie s h B0 |v|=ds/dt B=0 Empirisch d.w.z. gevolg experiment! FL
(lampje) B=0 Empirisch d.w.z. gevolg experiment! beweeg stroomlus heen en weer  gaat stroom lopen door weerstand R FL In geel: Lorentz kracht op e- Wat blijkt? EMK berekening:

10 Een detail: ten koste van wat loopt de stroom?
Voor liefhebbers Een detail: ten koste van wat loopt de stroom? Niet ten koste van het externe B-veld! Arbeid verricht door dit B-veld per ladingsdrager: Hiermee loopt er dus geen stroom door de weerstand! 2. Wel ten koste van persoon die aan stroomlus trekt! Arbeid verricht door dit individu per ladingsdrager: u: snelheid waarmee elektronen in draadlus bewegen v: snelheid waarmee draadlus beweegt v u h B -Ftrek

11 Wet van Faraday De “+” en de “–” tekens! Voorbeelden

12 Beweeg magneet i.p.v. stroomlus!
h B0 beweeg magneet heen en weer  gaat stroom lopen door weerstand R R (lampje) B=0 |v|=ds/dt Stroom identiek aan vorige voorbeeld: (a) gebruik relativiteit principe (b) doe gewoon de proef! Wat is de EMK voor deze stroom? - niet magnetisch want vlading=0 - dus elektrisch (niet statisch!) Stokes

13 I.p.v. bewegend B-veld neemt B lineair af!
s h B0 R (lampje) B=0 Laat B lineair afvallen in de tijd  gaat stroom lopen door weerstand R s h B0 In dit alles kan de stroomkring ook gewoon open staan! In dat geval komt er gewoon een induktie (Hall) spanning op de uiteinden! B=0 Vind

14 Let wel! Elektrostatisch (tijdsonafhankelijk):  stationaire stromen
 stationaire verdeling van de lading Elektrodynamisch (tijdsafhankelijk):  stroom die varieert  verdeling van de lading die varieert Wet van Faraday

15 (stroomdraad rondom in rood)
Je klapt een paraplu uit in een magnetisch veld van 0,2 T. De uiteinden van de baleinen zijn met een metaaldraad met R=0,1 Ohm (totale weerstand) verbonden. Het uitklappen duurt 0,3 seconde. De straal van de paraplu is 1 m. Hoe groot is stroomsterkte in draad direct na uitklappen? B A  20 A B  7 A C  0.2 A D  0 A I=? Voor uitklappen Na uitklappen van onderaf bekeken (stroomdraad rondom in rood)

16 De “+” en de “-” tekens! B=0 B0 FL h |v|=ds/dt Iind s
trek deze kant op R (lampje) B=0 s FL Iind Handig trucje (“wet van Lenz”): richting v/d inductie stroom zodanig dat de flux verandering gecompenseerd wordt Bovenstaande situatie: trek stroomlus naar rechts  B wordt kleiner  inductiestroom Iind (zie figuur) B-veld t.g.v. Iind parallel externe B-veld

17 Proef: opspringende ring
B-veld Iind  afstoting  springt omhoog Geinduceerd B-veld I=0 metalen ring I0

18 Zwevende ring

19 Opspringende ring

20 Proef: vallende magneetjes
L1 meter blokje magneet B neemt af Iind trekt magneet aan Blokje materiaal valt naar beneden Magneetje valt langzamer naar beneden B neemt toe Iind duwt magneet terug

21 Vallende “magneetjes”

22 “Lenz” in de huiskamer? Als je een stekker in een
Stopcontact steekt is er zelden een vonk. Waarom? Begint met B=0; dus stroom loopt langzaam op om B/t klein te houden! Als je een stekker (snel) uit een stopcontact trekt zie je vaak een vonk. Waarom? Begint met B0; dus stroom wil blijven lopen om B/t klein te houden Stroom kan alleen lopen via een vonk tussen de stekker en de contactdoos!

23 I Wat heb ik geleerd? Wet van Ohm J=fE EMK: batterij V0
spoel –LdI/dt Wet van Faraday

24 Inhoud Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme  Licht
Elektromagnetische inductie & wet van Faraday II. Zelfinductie & energie III. Maxwell vergelijkingen & elektromagnetische golven Griffiths Chapter 7: Electromagnetic Induction: §7.2.3 t/m §7.2.4

25 Definitie Voorbeelden Toroïde Solenoïde Coaxiale kabel
Zelfinductie Definitie Voorbeelden Toroïde Solenoïde Coaxiale kabel

26 Zelfinductie “L” Eenheid van inductie: Henry: [H] = [Vs]/[A] B I
Analoog aan de capaciteit C van een condensator hangt ook de inductie L slechts af van de geometrie

27 Gedrag C en L in schakelingen
VC V0 C R L IL V0 V(t) 1/RC 2/RC tijd I(t) L/R 2L/R tijd VV0 IV0/R

28 Zelfinductie toroide h r B-veld: ` Flux per winding: Totale flux B:
n windingen stroom I zij aanzicht h r B-veld: ` Flux per winding: Totale flux B: Zelfinductie L:

29 Zelfinductie solenoïde
N windingen/meter stroom I R r B-veld: ` Flux per winding: Flux B (lengte l): Zelfinductie L (lengte l):

30 Zelfinductie coaxiale kabel
r I a b B-veld: ` Flux B (lengte l): Zelfinductie L (lengte l):

31 Energie Dissipatie in een weerstand R Energie in een capaciteit C
Energie in een zelfinductor L Energie van een elektrische veld configuratie Energie van een magnetische veld configuratie

32 Dissipatie in weerstand R
V0 I Opmerking: de gedissipeerde energie is “weg” d.w.z. verdwijnt als warmte De EMK (V0) pompt iedere seconde I Coulombs rond. Dat kost werk=energie (batterij raakt leeg!) Die energie wordt gedissipeerd in de weerstand R Wat is numeriek de energie dissipatie? Joule’s dissipatie wet [P]=[VI] =VoltAmpère Watt

33 Energie in een: capaciteit C zelfinductor L
De capaciteit wordt opgeladen: - warmte ontwikkeling in R “weg” - opgeladen capaciteit is opgeslagen “energie” Hoeveel energie is dat? R C VC V0 De stroom gaat door de spoel lopen: - warmte ontwikkeling in R “weg” - stroom in inductor is opgeslagen “energie” Hoeveel energie is dat? R L IL V0

34 Energie in: E-veld A: oppervlak d: plaatafstand C E0 in het volume=dA

35 Energie in: B-veld L Dus:  hetzelfde!  handige manier
om L te bepalen: L2UL/I2

36 Opgaven voor jullie C V R L I R
Na opladen condensator haal je batterij weg. De lading op condensator neemt exponentieel af. Bereken gedissipeerde energie in weerstand R. Moet 0.5 CV2 geven! Op t=0 geldt: VC=V0. R C V Zodra stroom constant is haal je batterij weg. De stroom in spoel neemt exponentieel af. Bereken gedissipeerde energie in weerstand R. Moet 0.5 LI2 geven! Op t=0 geldt: IL=I0=V0/R. R L I

37 II Wat heb ik geleerd? Zelfinductie Energie C & L Energie E & B velden

38 Inhoud Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme  Licht
Elektromagnetische inductie & wet van Faraday II. Zelfinductie & energie III. Maxwell vergelijkingen & elektromagnetische golven Griffiths Chapter 7: Maxwell Equations: §7.3.1 t/m §7.3.3 Maxwell Equations: §7.3.4 t/m §7.3.6 Doorlezen en ‘passief’ begrijpen Griffiths Chapter 9: Electromagnetic Waves in Vacuum: §9.2.1 t/m §9.2.2

39 Maxwell vergelijkingen
Maxwell’s term via “experimenten” Maxwell’s term via behoud van lading Maxwell vergelijkingen

40 Waar staan wij nu? ` Het lijkt mij evident dat er een term E/t ontbreekt! Hoe vind je die? Door: (gedachten) experimenten te doen (2 voorbeelden) ladingsbehoud te eisen

41 Maxwell’s term: opladende condensator
Terwijl condensator oplaadt: V0 C: Oppervlak: A Separatie: d (A) Rechterlid? (B) ballon oppervlak Dus er mist iets! Gebruik feit dat: Rechterlid? Magie? Ja, een beetje maar ok zolang resultaat klopt met experiment!

42 Maxwell’s term: “spuitende puntlading”
Q Qoorsprong Qweggestroomd Maxwell’s term: “spuitende puntlading” Lading wordt radieel naar buiten gespoten (b.v. een radioactieve bron in oorsprong) J(t) (t) Symmetrie: geen component B tangentieel boloppervlak Klopt weer!

43 Behoud van lading (Continuïteit vergelijking)
geen behoud van lading! ladingsstroom door oppervlak ladingsverandering binnen volume i Lading is een absoluut behouden grootheid d.w.z. Qi=constant = { J(t) (t) V volume V omsluitend oppervlak

44 Maxwell vergelijkingen
` Dit is het dus! Dit=elektrostatica magnetostatica elektrodynamica licht (elektromagnetische golven) ………… Ook nog eens: relativistisch invariant!

45 Elektromagnetische golven
Golfvergelijkingen voor E & B Eigenschappen

46 Golfvergelijkingen voor E & B
Gebruik Maxwell vergelijkingen in vacuüm d.w.z.  0 “vlakke golven”  0

47 Wat impliceren deze vergelijkingen?
Hoe zien de oplossingen eruit? Om het “simpel” te houden neem ik aan: (1) E & B hangen slechts af van t en z (2) medium is vacuüm (3) ruimte is oneindig

48 Eigenschappen Zelfde! (niet verwonderlijk)

49 Eigenschappen als plaatjes
In het vacuüm bestaan oplossingen van de Maxwell vergelijkingen (“elektromagnetische, EM, golven”) die zich met de lichtsnelheid voortplanten! x y z =c E B E  v B  v EM golf in de tijd Breking van licht /propagation/propagation.html B & E in fase Toepassingen: - “gewoon” licht - radio & TV golven - mobiele telefonie - Röntgen - etc. oscillerend E-veld  elektrische stroom E  B |v|=c

50 III Wat heb ik geleerd? `