Elektromagnetisme  Licht

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

1 Elektromagnetisme  Licht
Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme  Licht

2 Inhoud Magnetostatica
Magnetostatica (5 colleges) I. Lorentz kracht en magnetisch veld (Biot-Savart) II. Wet van Ampere III. Veldvergelijkingen nader bekeken: IV. Magnetische velden in materie: magnetisatie V. Toepassingen/Practikum: Hall effect, Toroide met spleet. Griffiths: Lorentz Foce Law: §5.1 t/m §5.2 (Niet stroomdichtheden K, J)

3

4 Fmagnetisch >> Fgravitatie
Magneet: experiment noord/zuid N Z F geen monopolen! N Z N Z nieuwe kracht: Fmagnetisch >> Fgravitatie noord: “N” & zuid: “Z” NN & ZZ: afstotend NZ & ZN: aantrekkend N Z N Z geen monopolen! dipolen: “kleinste” Anders dan elektrostatica: 1. beweging lading q in B-veld 2. B-veld als gevolg van stroom I Eenheden: - Stroom [I]: Ampère A=C/s - Magneetveld [B]: Tesla T=N/Am=Ns/Cm=kg/Cs

5

6

7 Constant B-veld  Lorentzkracht  bewegingsvergelijking voor q
De Lorentzkracht Voorbeelden Het Hall effect Kracht op stroomdraad Moment op stroomlus

8 Lorentzkracht  Fv  Fsin B q F v F  v q>0 y Experiment
F  veld B F  lading q F  snelheid v F  sinus ( v , B ) F  v en F  B

9

10 V.b. kracht op een stroomdraad
I B z y x L Situatie: uniform B-veld draadstuk L stroom I Gevraagd: kracht F op draadstuk

11

12 V.b. draaimoment stroomlus
Situatie: uniform B-veld draadlus LL stroom I Gevraagd: Kracht op draadlus moment  op draadlus I  z y x B FL FR  m Magnetisch moment: Formeel: Bovenaanzicht B

13 Spoeltje wil loodrecht op B veld staan
Toepassing Galvano (stroom) meter B FL m FR Spoeltje wil loodrecht op B veld staan

14

15 TV (elektrisch principe)
Hoog- spanning Hoe maak je een TV met een magnetisch principe?

16 Ontdekking elektron (1897 J.J. Thomson)
v0 v X Y E t=0 t=l/v0 t=(l +L)/v0 B Zelf doen: bereken uitwijking d F=mdv/dt Combinatie levert e/m voor het elektron!

17 Voorbeeld: deeltje in uniform B-veld
Zie de animatie van een deeltje in een uniform magnetic field, 2D Nadenken: Lorentzkracht zorgt voor centripetale kracht: F=qvB=mv2/R Dus deeltje beschrijft cirkelbaan met (vB): straal R=mv/|q|B periode T= 2m/|q|B Leidt dit nu zelf formeel x(t) en y(t) af, uitgaande van F=ma=mdv/dt

18 OPGAVE: deeltje in uniform B-veld
z y x B Deeltje met: lading q, massa m en snelheid v. Bepaal x(t) en y(t) X(0)=0

19 Voorbeeld: deeltje in E,B-veld
Zie de animatie van een deeltje in een E/B veld Bespreek/begrijp de baan van het deeltje t.g.v. het electrische en magnetische veld

20 De elektrische stroom I Het verband tussen stroom I en veld B
I=constant gegeven  B-veld Wet van Biot-Savart De elektrische stroom I Het verband tussen stroom I en veld B Voorbeelden

21

22 V.b. kracht tussen stroomdraden
Experiment A Experiment B I Observatie: afstoting Uitleg: elektrisch? F I Observatie: aantrekking! Uitleg: niet elektrisch! Magnetisch? Ja! F

23 Wet van Biot-Savart: experiment
Elektrische stroom  magnetisch veld! I P dl permeabiliteit: Samenhang: elektrostatica: ladingen magnetostatica: stromen 1/00=c2 [m2/s2] permittiviteit:

24 V.b. B-veld  lange draad  I  z BP P r Berekening B-veld: z
O z x y Berekening B-veld: Nadenken: Cilindersymmetrie: (rz) z r P  BP B in azimuthale () richting Rekenen: 

25

26 V.b. kracht tussen stroomdraden
z x y I2 Situatie: stroomdraden met I1 en I2 afstand R12, draadlengten L>>R12 Gevraagd: kracht op draad 2 Slim/snel antwoord: B-veld draad 1 op draad 2: B1=0I1/2R12 kracht op draad 2 door B1 F2= B1I2L=0I1I2L/2R12 B1 I1 R12 F2 F1 B2

27 V.b. B-veld 1 stroomkring B  I R  z P I x z y Bz =Bcos d Rd
B // as stroomkring Bz =Bcos  B 90o 90o-  I Berekening B-veld: Nadenken: Cilindersymmetrie z d Rd Rekenen: Rd = dl cos

28

29 I Wat heb ik geleerd? N Z I I B B Magneet N of Z Kracht, B-veld
Lorentzkracht I B stroomdraad stroomkring I B z-as

30 Ontdekking positron (1932 C.D. Anderson)
Spoorreconstructie: In deeltjes fysica wordt energie bepaald uit kromming van spoor! R e+ 10cm loodplaat Bellenvat 30cm B B1T liefhebbers iedereen

31 Inhoud Magnetostatica
Magnetostatica (5 colleges) I. Lorentz kracht en magnetisch veld (Biot-Savart) II. Wet van Ampere III. Veldvergelijkingen nader bekeken: IV. Magnetische velden in materie: magnetisatie V. Toepassingen: Hall effect, Toroide met spleet. Griffiths: Currents: §5.1.3 (stroomdichtheden K, J) Divergence of B: §5.3.1, §5.3.3

32 Stroomelementen: I,K en J
IC/sA (Ampère) Lijn: Oppervlak: KA/m Volume: JA/m2

33 De wet van Ampère Voorbeelden

34 Wet van Ampère I +Q E B r B-veld: wet van Ampère z y x stroomdraad
Vergelijk E-veld: wet van Gauss puntlading E +Q I B stroomdraad z y x r

35 V.b. Ampère dunne draad (flauw)
I Dunne draad: stroom: I [AC/s] symmetrie: B //  “Ampère lus”: cirkeltje z  r r B

36 V.b. Ampère dikke draad I R r B r R B z  r Dikke draad, =2R
stroomdichtheid: J=I/R2 [A/m2=C/sm2] symmetrie: B //  “Ampère lus”: cirkeltjes z  r r B R

37 We beschouwen een holle metalen buis met straal R
We beschouwen een holle metalen buis met straal R. In de wand loopt een stroom. Welke figuur geeft het magnetisch veld als functie van de afstand tot de as van de buis? R B r A C D

38 V.b. Ampère vlakke plaat x B K B a Vlakke plaat:
stroomdichtheid: K [A/m=C/sm] symmetrie: B // vlak, B  K “Ampère lus”: rechthoekje z x a x B X=0

39 Overzicht toepassingen wet van Ampère
Essentie: Symmetrie! Draad I B Plaat K B Toroïde I Solenoïde Komen nog!

40 Wat heb ik geleerd? Volume: JA/m2

41 Inhoud Magnetostatica
Magnetostatica (5 colleges) I. Lorentz kracht en magnetisch veld (Biot-Savart) II. Wet van Ampere III. Veldvergelijkingen nader bekeken: IV. Magnetische velden in materie: magnetisatie V. Toepassingen: Hall effect, Toroide met spleet. Griffiths: Vektor: §1.2.5 en §1.3.5 Divergence of B: §5.3.2 tot vergelijking 5.48 doorlezen Comparison E, B: §5.3.4

42 Stelling van Stokes (wiskunde)
De rotatie De stelling van Stokes Voorbeeld

43 Beschouw lokaal de uitdrukking:
Rotatie: XY dx dy E(x+dx,y,z) E(x,y,z) x y Beschouw lokaal de uitdrukking: “rotatie”: Dus:

44 Rotatie van vectorvelden voorbeelden/discussievragen
Je fietst naar het café en via een andere weg weer terug bij gelijke windsterkte en richting. Heeft het windsnelheids-vectorveld rotatie? Je fietst een rondje Ijselmeer, waar een lagedrukgebied zich bevindt. Heeft het windsnelheids-vectorveld rotatie? x y z x y z A(x,y,z) Wel of geen rot? Wel of geen div?

45 Stelling van Stokes (wiskunde)
Er volgt meer! dx dy A(x+dx,y,z) A(x,y,z) do Opmerking: consistentie keuze oriëntaties vereist! Willekeurige kromme: rand i globaal lokaal n n+1 n+2

46 V.b. rotatie en Stokes expliciet voorbeeld: y A(x,y,z) x z y
rekenen: Stokes: x y z A(x,y,z)

47 Rotatie van vectorvelden voorbeelden/discussievragen
Er drijven kurkjes (met orientatiepijltje) in wild stromend water. Hoe kun je zien of het (snelheids)vectorveld rotatie ongelijk nul heeft? Heeft het snelheids vectorveld op een grammofoonplaat rotatie? Heeft het snelheids vectorveld van een leeglopende wasbak (v radieel) rotatie? Heeft het snelheids vectorveld van een draaikolk rotatie? Heeft dit veld divergentie?

48 Veldvergelijkingen voor B
De rotatie van B De divergentie van B Voorbeeld: solenoïde

49 B=0J via: stelling van Stokes & wet van Ampere
Wet van Ampère Stelling van Stokes: Dus: Wiskunde: Stokes Natuurkunde: Ampère

50 B=0J als: voorbeeld bij een dikke stroomdraad
z y x I B

51 B=0 als: voorbeeld bij een dikke stroomdraad
z y x Antwoord: Omdat B-veld voor dunne stroomdraad in r=0 singulier is! Vraag: Waarom dikke stroomdraad? Maar: ook in r=0 geldt .B=0

52 B=0 via: stelling van Gauss & magnetische flux B
Gebruik nu: stelling van Gauss:

53 I Figuur I is mogelijk patroon van magnetische veldlijnen II Figuur II is mogelijk patroon van elektrische veldlijnen A I en II zijn juist B alleen I is juist C alleen II is juist D I en II zijn onjuist I II

54 B-veld solenoïde l 3. I R 1. 2. L r= r=r Solenoïde - diameter: 2R
- lengte: L>>R - stroom: I - windingen/m: N R L I z x y 1. 2.

55

56 Wat heb ik geleerd? Rotatie Wiskunde: Stokes Natuurkunde: Ampère

57 Detector voor deeltjesfysica

58 Moderne spoordetectie

59 Inhoud Magnetostatica
Magnetostatica (5 colleges) I. Lorentz kracht en magnetisch veld (Biot-Savart) II. Wet van Ampere III. Veldvergelijkingen nader bekeken: IV. Magnetische velden in materie: magnetisatie V. Toepassingen: Hall effect, Toroide met spleet. Griffiths: Magnetization: §6.1 Bound currents: §6.2.2, §6.2.3 Auxiliary Field H: §6.3 Linear and NonLinear Media: § 6.4

60 Magnetisatie microscopisch bekeken Magnetisatie en “gebonden” stroom
Het veld “H” Lineaire materialen Voorbeelden

61 Elektron tolt=spint om zijn as!
Dit leer je later! e- m Elektron: - lading qe=-1.610-19 C - spint om zijn as  magnetisch dipoolmoment: Voor B=0: oriëntatie m willekeurig Voor B0: oriëntatie m // B B

62 Elektron draait rond kern (I)
m e- kern R ve Elektron: - lading qe = -1.610-19 C - draait rond kern; R  m - snelheid ve  107 m/s  magnetisch dipoolmoment: Voor B=0: oriëntatie m random Voor B0: oriëntatie m // B B

63 Elektron draait rond kern (II)
m e- Maar, er gebeurt meer! B=0: FC houdt elektron in baan FC ve B0: FC+FL houdt elektron in baan B FL B FL FC m e- ve Elektron snelheid neemt af  magnetisch moment kleiner (kwalitatieve redenering; berekening zeer lastig) Elektron snelheid neemt toe  magnetisch moment groter m t.g.v. ve > m t.g.v. mxB

64 Dia- & para-magnetisme
Elektron baan beweging: Elektron spin beweging: Wie wint: baan of spin? Afhankelijk van # elektronen! e- mspin Waterstof Para-magnetisch:  # elektronen oneven  spin component wint  m // +B mbaan Dia-magnetisch:  # elektronen even  baan component wint   m // -B Helium mspin e- mbaan

65 Dia- & para-magnetisme
Hoef je niet numeriek te weten; slechts als illustratie dat er twee soorten magnetisme bestaan

66 Macroscopisch: magnetisatie
Karakteristieken in B-veld: Bextern Brok materie (para-magnetisch) - deze stroom genereert B-veld: tegengesteld externe B-veld Bmagnetisatie - magnetiseert d.w.z. atomaire dipooltjes m m - magnetisatie op te vatten als: oppervlakte stroom K Originele B-veld verandert!

67 MicroscopischMacroscopisch
(analoog elektrische polarisatie) dipoolmoment/volume  Magnetisatie M M m [M] = Ampère/meter [m] = Ampèremeter2 “Eenvoudige” lineaire relatie tussen: magnetisatie M en resulterend veld B De ‘gebonden’ stroom t.g.v. magnetisatie is gegeven door:

68 Magnetisatie en Gebonden stroom
Controle relatie: We gaan uit van (constant) gemagnetiseerde cilinder met oppervlakte stroom K Oppervlak A Dus gemagnetiseerde materie in cilinder -Magnetisatie=dipoolmoment/Volume -Voor het dipoolmoment schrijven we m=IA ‘Magnetisch’ equivalent aan oppervlakte stroom K in ‘lege’ ruimte K m L K

69 Spoel met kern van lineair materiaal
Stroom I, lengte L, N windingen Ampere’s law: Veld in lege spoel: Een gemagnetiseerde cilinder van lineair materiaal Kern wordt gemagnetiseerd en er gaat dus een gebonden stroom lopen, dus: Gevolgen(en) kern: Volgende stap: Wat is Kmag?

70 Spoel met kern (vervolg)
Wat is Kmag? We hebben en We weten Door (in feite eenvoudig) invullen en combineren vinden we veld in spoel: Ga na!

71 Het veld H Extra stof  0 Kmag (Jmag) Ivrij R Para Veld H=B/0 - M dia
B-veld wordt bepaald door totale stroomverdeling. Gebruik daarom i.p.v. magnetisatie equivalente oppervlakte Kmag en volume Jmag dichtheden!  0 Voor B-veld (via rotatie): Kmag (Jmag) Ivrij R Veld H=B/0 - M Para dia Voor H-veld: H=I/2r B=0H B0H

72 Lineaire materialen Extra stof Lineaire relatie tussen M en H: para m
Nu volgt overal B uit H: J=I/R2 I R H=I/2r H=Ir/2R2

73 Para- en diamagnetische materialen
PARA-MAGNETISCH m > 0 Element Z m Helium ? Zuurstof x10-6 Neon ? Aluminium x10-6 Argon ? DIA-MAGNETISCH m < 0 Element Z m Waterstof 0 Koper x10-6 Zilver x10-6 Goud x10-6 Terminologie:

74 In de (oneindig doorlopende) rechterplaat loopt een oppervlaktestroom in de aangegeven richting. De (oneindig doorlopende) linkerplaat is van paramagnetisch materiaal. In punt P geldt voor het magnetisch veld: A dat is groter dan in Q B dat is kleiner dan in Q C dat is even groot als in Q D dat is gelijk aan nul Q P

75 Ferromagnetisme Principe & hysterese

76 Permanente magneet? Ferro-magnetisme Para-magnetisme dia-magnetisme I
Voor ferro-magneet: spontane alignering atomaire dipool momenten! Ferro-magnetisme (temperatuur afhankelijk!) Para-magnetisme dia-magnetisme T<TCurie: orde T>TCurie: chaos “Weiss” gebiedjes Hysterese: 0H0NI 0MB-0HB 10-3 T 1 T maximaal gealigneerd ijzer I I N Z

77 Spontane alignering

78 Spoel met ijzeren kern

79 Curie punt Nikkel

80 Hysterese

81 VI Wat heb ik geleerd? Materialen Magnetisatie Mogelijkheden: m
Dia-magnetisme M // - B Para-magnetisme M // + B Ferro-magnetisme M permanent (hysterese) Voor gemagnetiseerd materiaal t.g.v. een een extern veld B0

82 (I) Magnetisatie M “gebonden” stroom
Dipoolmoment/“plakje”: Iplak Voor liefhebbers M d M n Kmag=Mxn M n Imag=0 d

83 (II) Magnetisatie M(x,y,z) “gebonden” stroom
Voor liefhebbers! Ix t.g.v. My O z x y dy dx dz (x,y+dy,z) (x,y,z+dz) (x,y,z) My Mz Ix t.g.v. Mz

84 Inhoud Magnetostatica
Magnetostatica (5 colleges) I. Lorentz kracht en magnetisch veld (Biot-Savart) II. Wet van Ampere III. Veldvergelijkingen nader bekeken: IV. Magnetische velden in materie: magnetisatie V. V. Toepassingen: Hall effect, Toroide met spleet.

85 Hall effect (ter voorbereiding practikum)
VHall d a - pool + pool + B v+ - B v-  afbuiging q=+/-  E-veld: EHall Voor q=+/-: - dichtheid: N - lading: q - snelheid: v  I=Nqadv [C/s]

86 Waarom beweegt stroomdraad?
Niet FLorentz: elektronen zwemmen vrijelijk door draad! I I B e- FL Hall effect: Elektronen naar onderkant draad!  E-veld: E-veld trekt rooster ionen (+) en daarmee de draad naar beneden! I FE E

87 Voor labjournaal: Toroïde met spleet
Zelf doen (kan zonder H veld) I * stroom I * N windingen * straal R zonder materiaal: B met materiaal:  0( 1+m) & spleet s s H Hs 

88 Inhoud Magnetostatica
Magnetostatica (5 colleges) I. Lorentz kracht en magnetisch veld (Biot-Savart) II. Wet van Ampere III. Veldvergelijkingen nader bekeken: IV. Magnetische velden in materie: magnetisatie V. V. Toepassingen: Hall effect, Toroide met spleet. Einde

89 Electro- & magnetostatica in vacuüm
Electrostatica: Coulomb P r’ r-r’ r (r’) Gevraagd: E(r) O x y z Magnetostatica: Biot-Savart P r’ r-r’ r J(r’) Gevraagd: B(r) O x y z

90 Electro- & magnetostatica in vacuüm
Electrostatica: Coulomb Magnetostatica: Biot-Savart    

91 Electro- & magnetostatica met materie
Polarisatie: P Magnetisatie: M

92 Inhoud Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme
I. Elektrische kracht, - veld en - potentiaal II. Veldvergelijkingen nader bekeken: III. Elektrische velden in materie: polarisatie Magnetostatica IV. Lorentz kracht en magnetisch veld V. Veldvergelijkingen nader bekeken: VI. Magnetische velden in materie: magnetisatie Elektromagnetisme VII. Parallel Elektrostatica & Magnetostatica VIII. Inductie IX. Maxwell vergelijkingen X. Elektromagnetische golven

93 Grafisch: rotatie en divergentie
Elektrisch veld Q Magnetisch veld I E: rotatie vrij B: divergentie vrij

94 De velden B & H De velden E & D
Grensvlakken De velden B & H De velden E & D

95 B- and H-fields at interface
Given: B1 ; 1 ; 2 Question: Calculate B2 B1 B2 1 2 1 2 Needed: “Interface-crossing relations”: Relation H and B: B = 0 r H Gauss box : B1.Acos 1 - B2.Acos 2 =0  B1 = B2 Circuit: : no I : H1.Lsin 1 - H2.Lsin 2 =0  H1// = H2//

96 E-field at interface E1 E2 Given: E1 ; 1 ; 2  1 1
2 1 2 Question: Calculate E2 Needed: “Interface-crossing relations”: Relation D and E: D = 0 r E Gauss box (empty!): D1.Acos 1 - D2.Acos 2 =0  D1 = D2 Circuit: E1.Lsin 1 - E2.Lsin 2 =0  E1// = E2//

97 Electret and Magnet - - - E D Electret P +++ E = (D-P)/0
D = 0 E + P Magnet M H = B / 0 -M B = 0 H + M H B

98 Q r P Puntlading:

99 Q r P Uniform geladen bol: