Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme Þ Lichth73/kn1c/edynica/old/Em2005ed.pdf · Wet...
Transcript of Elektrostatica Magnetostatica Elektromagnetisme Þ Lichth73/kn1c/edynica/old/Em2005ed.pdf · Wet...
1
1
Elektrostatica
MagnetostaticaMagnetostatica
Elektromagnetisme Elektromagnetisme ⇒⇒ LichtLicht
2
Elektromagnetisme-huishoudelijk4 college-dagdelen + 4 practicum-dagdelenBeoordeling:GEEN SCHRIFTELIJK TENTAMEN,WEL verplicht:
•Question-marks•2 huiswerkopgaves•practicum
PRAKTIKUM:1. Hysterese lus (kort labjournaal)2. Polarisatie (kort labjournaal of poster)3. Michelson (kort labjournaal of poster)4. Poster presentatie met borrel VRIJDAGMIDDAG 1 JULI
2
3
InhoudInhoudElektrostatica
Magnetostatica
Elektromagnetisme ⇒ LichtI. Elektromagnetische inductie & wet van FaradayII. Zelfinductie & energieIII. Maxwell vergelijkingen & elektromagnetische golven
ερ 0/0 =⋅∇=⋅∫ EldErrrr
&
00 =⋅∇=⋅∫ BIldBrrrr
&µ
Griffiths Chapter 7:
Ø Electromotive Force: §7.1Ø Electromagnetic Induction: §7.2 t/m §7.2.2
4
Wet van OhmWet van Ohm
Wet van OhmVoorbeelden
3
5
Waarom stroomt lading?Waarom stroomt lading?
Materiaal [σ]=(Ωm)-1
___________________________geleider koper 6∗10+7
goud 4∗10+7
half-geleider silicium 30germanium 2
isolator rubber 10-14
glas 10-12
water 4∗10-6
kracht / lading f* batterij* van de Graaff* dynamo* etc.
|v| ∝ tijd|v| ≈ constant
J
⇒ J≡ σf σ heet de “geleiding”d.w.z. geleiders: σ→∞
isolatoren: σ→0
J∝ f met f kracht/lading
tijd (t)
waarom J slechts ∝ f ? (empirischverband)
6
V.b. V.b. draadstukdraadstuk
≡≡=
⇔===⇒
=
==
Al
RIRAl
IV
lV
EAI
J
AI
J
lV
EEJ
σσ
σσσ
dus
rr
r
rrr
l lR
A Aρ
σ= =
V.b. koperdraad:1 meter lang∅ 1 mm ⇒ Opp=0.75 mm2
σ=6∗10+7 (Ωm)-1
⇒ R=1/(6∗10+7∗0.75∗10-6)≈0.02 Ω
V=IRWet van Ohm
R0 ← l → A
Let op: σ=∞ ⇒ E=0, R=0, V=constant(ideale geleider; nu echte geleider!)
A
l
V=0V=V
J=σf→σEI
2R0 R∝l← 2l →
R0 /4 R∝1/AA
AA
A
1ρ
σ=
is weerstand, [R]=Ω
is soortelijke weerstand
4
7
VraagVraag
Waarom is de stroom “direct” aan?lokale ophoping
⇒ vertraagt inkomende e-
⇒ versnelt uitgaande e-
dus: automatisch “compensatie”mechanisme & instantaan
ophopingvan e-
I
e−
Stroom is een collectief effect. Alle electronen bewegen direct.Toch is de individuele snelheid (drift) van de electronen in de stroomrichting maar een slakkengangetje (opgave)
8
ElektromotorischeElektromotorische krachtkracht(EMK)(EMK)
Definitie EMKInductie
Voorbeelden
5
9
DefinitieDefinitie EMKEMK
E
EfffJ b
rrrrr+== metσ
( )
∫ ⋅=∫ ⋅+∫ ⋅=
∫ ⋅+=∫ ⋅≡
kringb
kringkringb
kringb
kring
ldfldEldf
ldEfldf
rrrrrr
rrrrrEMK
v.b.: voor een kring met:- batterij met V0- constante stroomdichtheid |J|=I/A
Al
Adl
R
IRA
dlIld
J
VldEldE
ldfldf
kring
kringkring
batterijbuitenbatterijbinnen
kringb
kring
σσ
σσ
→∫≡⇒
≡∫=∫ ⋅=
≡∫ ⋅=∫ ⋅−=
∫ ⋅=∫ ⋅≡
rr
rrrr
rrrr
EMK
EMK
0!!
E
statisch⇒0
ziehiervoor
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 elektronentegen het veld in van de + pool naar de – pool ⇒ fb
fb
10
InductieInductie
s
h
B≠0
|v|=ds/dt R(lampje)
B=0
Empirisch d.w.z. gevolg experiment!
beweeg stroomlus heen en weer ⇒ gaat stroom lopen door weerstand R
EMK berekening:
kring kring
f v B vBEMK f dl v B dl vBh
= × →⇒ ≡ ⋅ → × ⋅ =∫ ∫
r rrr r rrr
Ñ Ñ kracht/lading:
Indd
EMK VdtΦ=− =B
Wat blijkt?
( ).oppkring
ind
B do Bhs
d Bhsd dsBh Bhv Vdt dt dt
≡ ⋅ =Φ ∫
Φ⇒ = = ≡ − = −
r rB
B
: magnetische flux
n
FL
In geel: Lorentz kracht op e−
6
11
Wet van FaradayWet van Faraday
Wet van FaradayDe “+” en de “–” tekens!
Voorbeelden
12
Beweeg magneet i.p.v. stroomlus!Beweeg magneet i.p.v. stroomlus!
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!)
s
h
B≠0
beweeg magneet heen en weer ⇒ gaat stroom lopen door
weerstand R R
(lampje)
B=0
|v|=ds/dt
n
⇒
uitervolgtWat
Stokes
ˆindV f dl E dl E do= ⋅ → ⋅ = ∇× ⋅∫ ∫ ∫r r rr r rÑ Ñ Ñ
inddVdtϕ= −
ˆ ˆd d BB do dodt dt tϕ ∂≡ ⋅ = ⋅
∂∫ ∫rrÑ Ñ
ˆBE dot
∂∇× + ⋅ ∂ ∫
rr rÑB
Et
∂∇× = −
∂
rr r
Wet van Faraday
7
13
s
h
B≠0
R(lampje)
B=0n
II.p.v. .p.v. bewegendbewegend BB--veldveld neemtneemt B B lineairlineair afaf!!
Laat B lineair afvallen in de tijd⇒ gaat stroom lopen door
weerstand R
s
h
B≠0
In dit alles kan de stroomkringook gewoon open staan!
In dat geval komt er gewoon eeninduktie (Hall) spanning op de
uiteinden!
B=0n
Vind
Indd
VdtΦ− =B
14
Je klapt een paraplu uit in een magnetisch veld van 0,2 Je klapt een paraplu uit in een magnetisch veld van 0,2 T. De uiteinden van de baleinen zijn met een T. De uiteinden van de baleinen zijn met een metaaldraad met R=0,1 Ohm (totale weerstand) metaaldraad met R=0,1 Ohm (totale weerstand) verbonden. Tijdens het uitklappen groeit de verbonden. Tijdens het uitklappen groeit de radiradiëëlelestraal van de plu lineair in 0,3 seconde. De straal van straal van de plu lineair in 0,3 seconde. De straal van de paraplu is 1 m.de paraplu is 1 m.Hoe Hoe grootgroot is is stroomsterktestroomsterkte in in draaddraad direct direct nana uitklappenuitklappen??
BA ≈ 20 AB ≈ 7 AC ≈ 0.2 AD ≈ 0 A
Na uitklappenvan onderaf bekeken
(stroomdraad rondom in rood)
Voor uitklappen
I=?
8
15
h
B≠0
|v|=ds/dt
trek deze kant opR
(lampje)
B=0n
s
De De ““++”” en en de de ““--”” tekens!tekens!
Bovenstaande situatie:trek stroomlus naar rechts ⇒ ΦB wordt kleiner
⇒ inductiestroom Iind (zie figuur)
B-veld t.g.v. Iind parallel externe B-veld
FLIind
Handig trucje (“wet van Lenz”):
richting v/d inductie stroom zodanig dat de flux verandering gecompenseerd wordt
16
ProefProef: : opspringendeopspringende ringringB-veld
0≠Φ B0=Φ B
I=0
metalenring
I≠0
GeinduceerdB-veld
Iind ⇒afstoting
⇓springt omhoog
10
19
L≈1
met
er
blok
je
mag
neet
ProefProef: : vallendevallende magneetjesmagneetjes
Blokje materiaal valtnaar beneden
st0 45.0/2 ≈= g stt 0 45.0≈>>
Magneetje valtlangzamer naar beneden
ΦB neemt toe⇒Iind
duwt magneet terug
Iind
ΦB neemt af⇒Iind
trekt magneet aan
Iind
20
VallendeVallende ““magneetjesmagneetjes””
11
21
““LenzLenz”” in de huiskamer?in de huiskamer?
Begint met ΦB=0; dus stroom loopt langzaam opom ∂ΦB/∂t klein te houden!
Begint met ΦB≠0; dus stroom wil blijven lopen om ∂ΦB/∂t klein te houdenStroom kan alleen lopen via een vonk tussen de stekker en de contactdoos!
Als je een stekker (snel) uit een stopcontact trekt zie je vaak een vonk. Waarom?
Als je een stekker in eenStopcontact steekt is er zelden een vonk. Waarom?
22
I Wat heb ik geleerd?I Wat heb ik geleerd?
Wet van Ohm J=σf→σE IRVfJ =⇒=rr
σ
EMK: batterij V0spoel –LdI/dt stroomkring
EMK fdl V≡ =∫r r
Ñ
Wet van Faraday Bind
d BV Edt tΦ ∂= − ⇒ ∇× = −
∂
rr r
12
23
I=1A∅ 1 mm ⇒ Opp≈0.75mm2
NA=6∗10+23/Mol63.5g/MolZCu=29; 2e-/CuρCu≈9g/cm3 ⇒ #e-/m3≈ 1.7∗10+29
VragenVragen
uurcmsmsm
neOppIv
meeCOppsCv
meeCOppvsC
AI
e
/15/51/101.5
107.1106.11075.01
///1
//11
1
5
29196
3
3
≈=∗≈
∗∗∗∗∗≈
∗∗
=∗∗
=⇒
∗∗∗≡==
−
+−−
−−
−−
µ
vv
vHoe snel “driften” de elektronen in een stroomdraad?
Iv=?
e−
24
ten koste van wat loopt de stroom?ten koste van wat loopt de stroom?1. Niet ten koste van het externe B-veld!
Arbeid verricht door dit B-veld per ladingsdrager:( ) ldBvldvldBvldfW
rrrrrrrrrr⊥×=∫ ⋅×=∫ ⋅=∆ duswant
ngverplaatsingverplaatsi//0
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:
( )
vBhvu
huB
ldBuldFW trek
==
∫ ⋅×=∫ ⋅=∆
/
ngverplaatsingverplaatsi
rrrrr
Voorliefhebbers
h
u: snelheid waarmee elektronen in draadlus bewegenv: snelheid waarmee draadlus beweegt
v
u
B -Ftrek
sh
B≠0|v|=ds/dt R B=0
beweeg stroomlus heen en weer ⇒ gaat stroom lopen door weerstand R
13
25
InhoudInhoudElektrostatica
Magnetostatica
Elektromagnetisme ⇒ LichtI. Elektromagnetische inductie & wet van FaradayII. Zelfinductie & energieIII. Maxwell vergelijkingen & elektromagnetische golven
ερ 0/0 =⋅∇=⋅∫ EldErrrr
&
00 =⋅∇=⋅∫ BIldBrrrr
&µ
Griffiths Chapter 7:
ØElectromagnetic Induction: §7.2.3 t/m §7.2.4
26
ZelfinductieZelfinductie
DefinitieVoorbeelden
ToroïdeSolenoïde
Coaxiale kabel
14
27
Zelfinductie Zelfinductie ““LL””
ie"zelfinductheet
:stroomlus
"
.
L
IL
IodBIB
B
stroomlusoppB
≡Φ⇒
∝∫ ⋅≡Φ⇒∝ rrr
Analoog aan de capaciteit C van een condensatorhangt ook de inductie L slechts af van de geometrie
ICdt
dQCdt
dV
QC
VVQ
C
11
1
≡=⇒
=⇔≡ :Capaciteit
EMK
:Inductie
stroomlus−==Φ
⇒
=Φ⇔Φ
≡
dtdI
Ldt
d
ILI
L
B
BB
Eenheid van inductie:
Henry: [H] = [Vs]/[A]
I
B
28
GedragGedrag C en L in C en L in schakelingenschakelingen
( )/00
( 0) 0( ) ( )
( ) 1
L
L
R
tR LLL
tIt I tI
V IR
d VIL IR tV I e
dt R−
= ==
=
− = ⇒ = −
Begi
nsitu
atie
Gev
raag
din
krin
gU
itwer
king
( O
hm
):
( )/0 0
(0) (0) 0( )
:
( ) 1
C C
C
R
t RCCC C
Q VtV
V IRdV
IR RC tV V V V edt
−
= =
=
− = = ⇒ = −
Begi
nsitu
atie
Gev
raag
dU
itwer
king
( O
hm)
:
I→V0/RI(t)
L/R 2L/R tijd
V→V0
ab
eAtfAeabtAb
dtdA
e
etAtf
eAtfafdtdf
bafdtdf
atat
at
at
at
−=⇒+−=⇒=⇒
=
=⇒=
+=
−
00 )()(
)()(
)(
:ansatz"" als dan neem
:op eerst los
f(t)? ik vind hoe ;:voor oplossing
R
VCV0
C
V(t)
1/RC 2/RC tijd
R
L
ILV0
15
29
N windingen/meterstroom I
Rr
Zelfinductie solenoZelfinductie solenoïïdede
Flux per winding: ∫ =∫=∫ ⋅=Φπ
πµϕµ2
0
20
00
1 RNINIrdrdodBR
schijfB
rr
Flux ΦB (lengte l): lRINlN BB ∗=∗Φ=Φ 220
1 πµ
Zelfinductie L (lengte l): lRNI
L B ∗=Φ
≡ πµ 220
B-veld: NIBNlIlBRr µµ 00: =⇒=<:Ampere`
30
r
IIa
b
Zelfinductie coaxiale kabelZelfinductie coaxiale kabel
Flux ΦB (lengte l): ( )abI
ldrrI
lb
aB /ln
2200
πµ
πµ
∗∫ =∗=Φ
Zelfinductie L (lengte l): ( )ablI
L B /ln2
0
πµ
∗=Φ
≡
B-veld:rI
BIrBbraπ
µµπ
22: 0
0 =⇒=<<:Ampere`
16
31
EnergieEnergie
Dissipatie in een weerstand REnergie in een capaciteit C
Energie in een zelfinductor LEnergie van een elektrische veld configuratie
Energie van een magnetische veld configuratie
32
DissipatieDissipatie in weerstand Rin weerstand R
R
V0
I
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?[P]=[VI]
=Volt . Ampère≡Watt
Opmerking:de gedissipeerde energie is “weg” d.w.z. verdwijnt als warmte
22
0 0
P
VI RV V IR
≡ =
= ⋅ = ⋅ = =i
energievermogenseconde
# rondgepompte Coulombsseconde
Joule’sdissipatie wet
17
33
Energie in een:Energie in een: capaciteit Ccapaciteit Czelfinductor Lzelfinductor L
De capaciteit wordt opgeladen:- warmte ontwikkeling in R “weg”- opgeladen capaciteit is opgeslagen “energie”
Hoeveel energie is dat?
22
0 0 0
( ) ( )
1 12 2
C CC
QC C C
C C
dQ QdWP t I tVdt C dt
dQ Q QdW Qdt dt d CU Q Vdt C dt C C
∞ ∞
≡ = ⋅ = ⋅
⇒ = = = = =∫ ∫ ∫
De stroom gaat door de spoel lopen:- warmte ontwikkeling in R “weg”- stroom in inductor is opgeslagen “energie”
Hoeveel energie is dat?
2
0 0 0
( ) ( )
12
LL Ind L
IL
L L L L
d IdWP t t LI V Idt dt
d IdWdt L dt Ld LU I I I I
dt dt
∞ ∞
≡ = ⋅ = ⋅
⇒ = = = =∫ ∫ ∫
R
C
VCV0
R
L
ILV0
34
EnergieEnergie in:in: EE--veldveld∫=
volumeElektrisch dvEU 20
2ε
VCAddV
vE
dA
C
dVE
vEU
VCU
volume
volumeC
C
22
2020
0
20
2
21
22
2
21
==∫⇒
=
=
∫=
=
εεε
ε
d
dzelfde?
:Anderzijds
:EnerzijdsA: oppervlak
d: plaatafstand
C
E≠0 in hetvolume=dA
18
35
L
EnergieEnergie in:in: BB--veldveld
zelfde? :Probeer
:Enerzijds
∫=
=
volumeL
L
dvBU
ILU
2
0
2
2121
µ
( ) ( )
( )
=∫ ∫
=∫
=⇒=
=⇒=
abIhn
rdrdrnIh
dvrnI
UrnI
B
abIhn
Uabhn
L
b
atoroideL
L
/ln42222
12
/ln4
/ln2
220
2
0
02
0
02
0
0
220
20
πµ
ϕπ
µµπ
µµπ
µ
πµ
πµ
π:Toroide
∫=volume
Magnetisch dvBU 2
021µ
( ) ( )
==∫=⇒=
=⇒=
221
21
2222
020
2
00
2
00
222022
0
IRNRNIdvNIUNIB
IRNURNL
solenoideL
L
πµπµ
µµ
µµ
πµπµ
:meterSolenoide/
=∫ ∫
=∫
=⇒=
=⇒=
πµ
ϕπ
µµπ
µµπ
µπ
µπ
µ
π
4)/ln(
221
221
2
4)/ln(
)/ln(2
20
2
0
02
0
02
0
0
200
Iabrdrd
rI
dvrI
UrI
B
IabUabL
b
acoaxkabelL
L
:meterCoaxkabel/
Dus:• hetzelfde!• handige manier
om L te bepalen:L≡2UL/I2
36
Opgaven voor jullieOpgaven voor jullie
VCdteRV
dtdt
dWWe RCtR
VVIP
dtdW
e RCtR
VtIe RCtVtV
RCt 20
0
/220
0
20
00
21/2
/)(/)(
∫ =∫ ==⇒−→≡≡⇒
−=⇒−=
∞−
∞
:R door stroom:Antwoord
ILR
VLdteR
Vdt
dtdWWe LtR
RV
VIPdt
dW
e LtRVtVe LtRRV
tI
LtR 20
02
0
/220
0
20
00
21
21/2
/)(/)(
≡
∫ =∫ ==⇒−→≡≡⇒
−=⇒−=
∞−
∞
:R over spanning:Antwoord
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
19
37
II Wat heb ik geleerd?II Wat heb ik geleerd?Zelfinductie
220
0ln( / )
22
h b anL A aNµ πµ
π= →toroide:
2 20L lN Rπµ=solenoide:
0 ln( / )2
L b a lµπ
=coaxkabel:
LIB ≡Φ
∫=≡∫=≡volume
Cvolume
L dvEVCUdvBILU 2022
0
2
221
&2
121 ε
µEnergie C & L
Energie E & B velden
38
InhoudInhoudElektromagnetisme ⇒ Licht
I. Elektromagnetische inductie & wet van FaradayII. Zelfinductie & energieIII. Maxwell vergelijkingen & elektromagnetische golven
Griffiths Chapter 7:
ØMaxwell Equations: §7.3.1 t/m §7.3.3ØMaxwell Equations: §7.3.4 t/m §7.3.6 Doorlezen en ‘passief’ begrijpen
Griffiths Chapter 9:ØElectromagnetic Waves in Vacuum: §9.2.1 t/m §9.2.2
20
39
Maxwell Maxwell vergelijkingenvergelijkingen
Maxwell’s term via “experimenten”Maxwell’s term via behoud van lading
Maxwell vergelijkingen
40
WaarWaar staanstaan wijwij nunu??
IldBJB
dtd
ldEtB
E
odBB
QodEE
omslotenkring
B
kring
oppervlak
omsloten
oppervlak
µµ
εερ
00
00
00
=∫ ⋅=×∇
Φ−=∫ ⋅∂∂−=×∇
=∫ ⋅=⋅∇
=⋅=⋅∇ ∫
rrrrr
rrrrr
rrrr
rrrr
: Ampere""
: Faraday""
: monopolen" geen"
: Gauss""
`
Het lijkt mij evident dat er een term ∂E/∂t ontbreekt!Hoe vind je die? Door:
(1) (gedachten) experimenten te doen (2 voorbeelden)
(2) ladingsbehoud te eisen
21
41
V0
C:Oppervlak: ASeparatie: d
MaxwellMaxwell’’s term:s term:opladendeopladende condensatorcondensator
Terwijl condensator oplaadt: IldB omslotenkring
µ0=⋅∫rr
(A)
Rechterlid? → Iµ0:(A)
Dus er mist iets! Gebruik feit dat:
∫∫ ⋅∂∂+→=⋅
oppervlakomslotenomsloten
kringod
tEIIldB rrrr
εµµµ 0000
εεεεσ
0000
1AI
dtdQ
AtE
AQ
E ≡=∂∂
⇒==rr
Rechterlid?
=⋅∂∂
→
→
=∫ IµAIA
µodtE
µ
Iµ
oppervlak0
00000
0
εεε rr
:(B)
:(A)
Magie? Ja, een beetje maar ok zolang resultaat klopt met experiment!
0→:(B)
(B) ballon oppervlak
42
J(t)
ρ(t)
MaxwellMaxwell’’ss term: term: ““spuitende puntladingspuitende puntlading””
Lading wordt radieel naar buiten gespoten(b.v. een radioactieve bron in oorsprong) r
reQJ
t
2
/
4ˆ
πτ
τ−
=r
Symmetrie:geen component B
tangentieel boloppervlak
rrQ
eE t2
0
/
4ˆ
επτ−=
r :met Samen
∫
∫
⋅∂∂+→
=⋅
oppervlakomsloten
omslotenkring
odtEI
IldB
rr
r
εµµ
µ
000
0
04
ˆ4
ˆ2
0
/
02
/
00
0
000
=∫ ⋅
−=⋅
∂∂
+
⋅∂∂+=⋅
∫
=∫∫
−−
oppervlak oppervlak
tt
oppervlakomsloten
kring
odr
reQ
r
reQod
tE
J
odtEIldB
rrrr
rrrr
επτε
πτµ
εµ
εµµ
ττ
0
0
0 ≠
=⋅⇒ ∫
I
ldB
omsloten
oppervlakbolopkring
µ :maar
rr
Klopt weer!
t
QQoorsprong
Qweggestroomd
22
43
Behoud van ladingBehoud van lading(Continu(Continuïïteit vergelijking)teit vergelijking)
Vvolume
∂Vomsluitendoppervlak
Jt
dvJdvt
dvJdvdtd
odJdvdtd
VV
VV
VV
rrrr
rr
rr
⋅∇+∂∂
=⋅∇∂∂=
⋅∇=
⋅≡
⇒∫+∫⇔
∫+∫⇔
∫+∫∂
ρρ
ρ
ρ
00
0
0 :Dus
tE
JB∂∂
+=×∇rrrr
εµµ 000
JBrrr
µ0=×∇ geen behoud van lading!
∂∂
+⋅∇=∂∂
⋅∇+⋅∇==×∇⋅∇t
JtE
JBρµεµµ
rrrrrrrrr00000
ladingsstroom door oppervlak
ladingsverandering binnen volumei
Lading is een absoluut behouden grootheid d.w.z.
ΣQi=constant∫
∂⋅
VodJ rr
∫V
dvdtd
ρ
=
n
J(t)
ρ(t)
44
Maxwell Maxwell vergelijkingenvergelijkingen
Dit is het dus!Dit=elektrostatica
magnetostaticaelektrodynamicalicht (elektromagnetische golven)…………
Ook nog eens:relativistisch invariant!
∫∫
∫∫
∫
∫
⋅+=⋅∂∂+=×∇
⋅−=⋅∂∂−=×∇
=⋅=⋅∇
=⋅=⋅∇
oppervlakomsloten
kring
oppervlakkring
oppervlak
omsloten
oppervlak
odEdtdIldB
tEJB
odBdtdldE
tBE
odBB
QodEE
rrrrrrrr
rrrrrrr
rrrr
rrrr
εµµεµµ
εερ
000000
00
00
: Ampere""
: Faraday""
: monopolen" geen"
: Gauss""
`
dtd EΦ
≡ εµ 00
dtd BΦ
−≡
23
45
ElektromagnetischeElektromagnetische golvengolven
Golfvergelijkingen voor E & BEigenschappen
46
Golfvergelijkingen voor E & BGolfvergelijkingen voor E & B
( ) ( ) EEkjEz
Ey
E
xE
i
kjx
Ez
EyE
x
Ei
EEE
kjiE
zyx xzyx
x
zxz
xyy
zyx
zyx
rrrr
rrrr
∇−⋅∇∇=++
∂+∂+∂−
∂
∂+
∂
∂+
∂∂
∂=
++
∂∂
−∂
∂∂−
∂
∂−
∂
∂∂=∂∂∂×∇=×∇×∇
2222 ...ˆ...ˆˆ
...ˆ...ˆˆ
ˆˆˆ
Gebruik Maxwell vergelijkingen in vacuüm d.w.z. 00rr
== Jenρ
( )
( ) tE
E
tE
tE
tJ
tB
tB
EEEEEtB
2
2
002
2
2
002
2
000
22
0
2
∂∂
=∇⇒
∂∂−→
∂∂−
∂∂−=
∂×∇∂−=
∂∂×∇−
∇−→∇−
∇=∇−⋅∇∇=×∇×∇=
∂∂×∇− rr
rrrrrrr
rrrrrrrrrrrr
εµ
εµεµµ
ερ
tB
B 2
2
002
∂∂
=∇−rr
εµ:veldB voor Idem
EtB rrr
×∇=∂∂
−
tE
JB∂∂
+=×∇rrrr
εµµ 000
ερ
0=⋅∇ E
rr
“vlakke golven”→ 0
0→
→ 0
tE
∂∂
→r
εµ 00
24
47
Wat impliceren deze vergelijkingen?Wat impliceren deze vergelijkingen?
vktkzAtz
vvz
vt
222
2
22
2
2
)cos(),( ≡−=
=∂∂
=∂∂
ωωψ
ψψ
:geldt waarbij:oplossing Typische
snelheid met nggolfbewegi ertrepresente
:golven & Trillingen
ceµ
vEcE
tE
BcBtB
≡=
∇=∇=∂∂
∇=∇=∂∂
00222
002
2
222
002
2
11
1
snelheid ng,golfbewegi ertrepresente:Dus rrr
rrr
εµ
εµ
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
∂∂=
∂∂
∂∂=
∂∂
⇒
zEc
tE
zB
ctB
2
22
2
2
2
22
2
2
rr
rr
48
EigenschappenEigenschappen
−=
−=
=⇔≡
)cos(),(
)cos(),(0
0
222
tkzEtzE
tkzBtzB
kc?ck?
ω
ωrrrr
: Probeer
0)sin()cos(),(00 000 =⇒−−=−⋅∇=⋅∇=⇒=⋅∇ EtkzkEtkzEtzEE zz ωωrrrrrr
0)sin()cos(),(00 000 =⇒−−=−⋅∇=⋅∇=⇒=⋅∇ BtkzkBtkzBtzBB zz ωωrrrrrr
Ekc
BEBc
EBctkzE
E
ctkzBk
Bk
ttkzE
ctkzB
tE
cB
yx
xy
y
x
x
y rr
rrrrrr
00
00
00
0
0
20
0
0
20
2
ˆ1)sin(
0
1)sin(
0
)cos(1)cos(
1
×=⇒
=−
=+⇔−
=−
−
+
⇔
∂−∂
=−×∇⇒∂∂
=×∇
ωωω
ω
ωω
Ekc
BBcE
BcEtkzB
BtkzEk
Ek
ttkzBtkzE
tB
E
yx
xy
y
x
x
y rr
rrrrrr
00
00
00
0
0
0
0
00
ˆ1)sin(
0)sin(
0
)cos()cos(
×=⇒
=+
=−⇔−
−−
=−
−
+
⇔
∂−∂
−=−×∇⇒∂∂
−=×∇
ωωω
ω
ωω
BBB
E
E
cEE
kji
cEk
c y
x
x
y
yx
rr 00
0
0
0
00
0
00
1
0
100
ˆˆˆ1ˆ1 =
=
+
−
==×
Zelfde!(niet verwonderlijk)
25
49
x
y
z
x
y
Eigenschappen als plaatjesEigenschappen als plaatjes
E ⊥ B
E ⊥ v
B ⊥ v
|v|=c
=cE
B EM golf in de tijd
http://webphysics.davidson.edu/Applets/EMWave/EMWave.html
Breking van lichthttp://www.phy.ntnu.edu.tw/java/propagation/propagation.html
In het vacuüm bestaan oplossingen van de Maxwell vergelijkingen (“elektromagnetische, EM, golven”) die zich met de lichtsnelheid voortplanten!
Toepassingen:- “gewoon” licht- radio & TV golven- mobiele telefonie- Röntgen- etc.
oscillerend E-veld ⇒ elektrische stroom
B & E in fase
1
212
002
0 2
0
0 20
2
2
≡== µε
µ
ε
cB
E
uu
B
E r
r
dichtheidEnergie
50
IIIIII Wat heb ik geleerd?Wat heb ik geleerd?
×=
⊥
⊥=
−=
−=
∂∂
=∂∂
∂∂
=∂∂
Ekc
B
kE
kBkc
tkzEtzE
tkzBtzB
zE
ctE
zB
ctB
rr
rrrr
rrrr
rr
rr
00
0
0
0
0
2
22
2
2
2
22
2
2
ˆ1
,
)cos(),(
)cos(),( ω
ω
ω:met :oplossing :vgl. golf EM
( ) kkkk ˆ00 =≡r
∫∫
∫∫
∫
∫
⋅+=⋅∂
∂+=×∇
⋅−=⋅∂∂
−=×∇
=⋅=⋅∇
=⋅=⋅∇
oppervlakomsloten
kring
oppervlakkring
oppervlak
omsloten
oppervlak
odEdtd
IldBtE
JB
odBdtd
ldEtB
E
odBB
QodEE
rrrrrrrr
rrrrrrr
rrrr
rrrr
εµµεµµ
εερ
000000
00
00
: Ampere""
: Faraday""
: monopolen" geen"
: Gauss""
`
dtd EΦ
≡ εµ 00
dtd BΦ
−≡
26
51
a
b
n windingenstroom I
ab
zij aanzicht
h
r
ZelfinductieZelfinductie toroidetoroide
Flux per winding: ( )abnIh
drrnI
hodBb
arechthoekB /ln
22001
πµ
πµ
∫ ==∫ ⋅=Φ rr
Totale flux ΦB: ( )abIhn
n BB /ln2
201
πµ
=Φ=Φ
Zelfinductie L: ( )abhn
IL B /ln
2
20
πµ
=Φ
≡
B-veld:rnI
BnIrBbraπ
µµπ
22: 0
0 =⇒=<<:Ampere`
( )
aANL
anN
ha
ahn
ahn
L
abab
A πµ
π
δπ
πδµ
δπ
µ
δ
2
:2
::2
2/1ln
2
20
20
20
∗=⇒
≡
≈+=
+=≈
mwindingen/
oppervlak
omtrek
d.w.z. Indien
OPGAVE