Fazorok március 18.

Hasonló dokumentumok
Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

ALAPFOGALMIKÉRDÉSEK VILLAMOSSÁGTANBÓL 1. EGYENÁRAM

EGYFÁZISÚ VÁLTAKOZÓ ÁRAM

A soros RC-kör. t, szög [rad] feszültség áramerősség. 2. ábra a soros RC-kör kapcsolási rajza. a) b) 3. ábra

Harmonikus rezgések összetevése és felbontása

1. Milyen módszerrel ábrázolhatók a váltakozó mennyiségek, és melyiknek mi az előnye?

Hullámoptika II.Két fénysugár interferenciája

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Hálózatok számítása egyenáramú és szinuszos gerjesztések esetén. Egyenáramú hálózatok vizsgálata Szinuszos áramú hálózatok vizsgálata

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

Harmonikus rezgések összetevése és felbontása

Komplex számok trigonometrikus alakja

FIZIKA. Váltóáramú hálózatok, elektromágneses hullámok

Számítási feladatok a 6. fejezethez

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Számítási feladatok megoldással a 6. fejezethez

Hullámok tesztek. 3. Melyik állítás nem igaz a mechanikai hullámok körében?

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

25 i, = i, z 1. (x y) + 2i xy 6.1

Mechanika I-II. Példatár

A soros RL-kör. t, szög [rad] áram feszültség. 1. ábra Feszültség és áramviszonyok az ellenálláson, illetve a tekercsen

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Elektromágneses hullámok - Interferencia

Rezgések és hullámok

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

A soros RC-kör. t, szög [rad]

1 kérdés. Személyes kezdőlap Villamos Gelencsér Géza Simonyi teszt május 13. szombat Teszt feladatok 2017 Előzetes megtekintés

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

EGYENÁRAMÚ TÁPEGYSÉGEK

Teljesítm. ltség. U max

3.1. ábra ábra

RC tag mérési jegyz könyv

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Fizika A2E, 8. feladatsor

1. A komplex számok ábrázolása

4. Konzultáció: Periodikus jelek soros RC és RL tagokon, komplex ellenállás Részlet (nagyon béta)

9. Fényhullámhossz és diszperzió mérése jegyzőkönyv

Az aszinkron és a szinkron gépek külső mágnesének vasmagja, -amelyik általában az

FI rendszerek periodikus állandósult állapota (JR1 ismétlés)

egyetemi tanár, SZTE Optikai Tanszék

1. fejezet. Gyakorlat C-41

P vízhullámok) interferenciáját. A két hullám hullámfüggvénye:

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

Analízis elo adások. Vajda István szeptember 10. Neumann János Informatika Kar Óbudai Egyetem. Vajda István (Óbudai Egyetem)

Gyakorlat 34A-25. kapcsolunk. Mekkora a fűtőtest teljesítménye? I o = U o R = 156 V = 1, 56 A (3.1) ezekkel a pillanatnyi értékek:

1. ábra. 24B-19 feladat

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Az éjszakai rovarok repüléséről

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Komplex számok algebrai alakja

Fénypont a falon Feladat

A hullámok terjedése során a közegrészecskék egyensúlyi helyzetük körül rezegnek, azaz átlagos elmozdulásuk zérus.

Értékelési útmutató az emelt szint írásbeli feladatsorhoz

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Diszkrét idej rendszerek analízise szinuszos/periodikus állandósult állapotban

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

Mechanikai rezgések = 1 (1)

Optika gyakorlat 3. Sugáregyenlet, fényterjedés parabolikus szálban, polarizáció, Jones-vektor. Hamilton-elv. Sugáregyenlet. (Euler-Lagrange egyenlet)

Ψ - 1/v 2 2 Ψ/ t 2 = 0

Komplex számok. Komplex számok és alakjaik, számolás komplex számokkal.

5. házi feladat. AB, CD kitér élpárra történ tükrözések: Az ered transzformáció: mivel az origó xpont, így nincs szükség homogénkoordinátás

Fizika alapok vegyészeknek Mechanika II.: periodikus mozgások november 10.

2.11. Feladatok megoldásai

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

MÁGNESES INDUKCIÓ VÁLTÓÁRAM VÁLTÓÁRAMÚ HÁLÓZATOK

Optika fejezet felosztása

Egyszerű áramkörök árama, feszültsége, teljesítménye

Dr. Gyurcsek István. Példafeladatok. Helygörbék Bode-diagramok HELYGÖRBÉK, BODE-DIAGRAMOK DR. GYURCSEK ISTVÁN

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

Szent István Egyetem Fizika és folyamatirányítási Tanszék FIZIKA. rezgések egydimenziós hullám hangok fizikája. Dr. Seres István

Hullámok, hanghullámok

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Szélsőérték feladatok megoldása

1. Komplex számok. x 2 = 1 és x 2 + x + 1 = 0. egyenletek megoldását számnak tekinthessük:

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Trigonometria II.

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Tárgy. Forgóasztal. Lézer. Kamera 3D REKONSTRUKCIÓ LÉZERES LETAPOGATÁSSAL

Denavit-Hartenberg konvenció alkalmazása térbeli 3DoF nyílt kinematikai láncú hengerkoordinátás és gömbi koordinátás robotra

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

4. /ÁK Adja meg a villamos áramkör passzív építő elemeit!

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Számítógépes Grafika mintafeladatok

Az elméleti mechanika alapjai

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Átírás:

Fazorok 2016. március 18. A fazorok fázist ábrázoló vektorok. Használatukkal a zika legkülönböz bb területein (mechanikai rezgések és hullámok, váltóáramú hálózatok, optika) tudunk egyszer en megoldani feladatokat. A vektorok és a rezgések fázisa közötti kapcsolat megértéséhez el ször idézzük fel a sinα és cos α szögfüggvények denícióját egységvektor segítségével! A bal oldali ábrán egy, az x-tengellyel α forgásszöget bezáró egységvektort látunk. (A forgásszög egy irányított szög, ami 360 -nál nagyobb, vagy negatív is lehet, az egységvektor egy egységnyi hosszúságú vektor.) A vektor koordinátái deníció szerint cos α és sin α. A deníció alapján egy tetsz leges v vektort is fel tudunk bontani x- és y-irányú komponensekre. Ehhez vegyük fel az x- és y-tengely irányába mutató i és j egységvektorokat, ahogy az a jobb oldali ábrán látszik. A v vektor felbontása az ábra alapján: v = v cos αi + v sin αj. Jegyezzük meg, hogy v a vektor nagysága vagy abszolút értéke, v cos α és v sin α pedig a vektor koordinátái ezek mind skalár mennyiségek, a v cos αi és v sin αj vektorkomponensek viszont a v vektorhoz hasonlóan szintén vektorok. Ha vektorokat akarunk összeadni, azt megtehetjük grakusan, például a következ ábrán látható módon a parallelogramma-módszerrel. Ugyanakkor az ábráról az is leolvasható, hogy az ered vektor koordinátái az összeadandó vektorok koordinátáinak összegével egyeznek meg, azaz a vektorokat komponensenként adhatjuk össze: v 1 + v 2 = v 1 cos α 1 i + v 1 sin α 1 j + v 2 cos α 2 i + +v 2 sin α 2 j = = (v 1 cos α 1 + v 2 cos α 2 ) i + (v 1 sin α 1 + v 2 sin α 2 ) j.

Ha egy A vektor ω szögsebességgel forog az origó körül, akkor a α forgásszög id ben változó nagyságú lesz: α(t) = ωt + ϕ, ahol ϕ az α szög értéke a t = 0 id pillanatban. Ekkor a forgó vektor koordinátái szintén id ben változó mennyiségek lesznek: x(t) = A cos(ωt + ϕ) y(t) = A sin(ωt + ϕ). Vegyük észre, hogy a koordinátákat megadó id függvények harmonikus rezgések! x(t) és y(t) kifejezésében A a rezgés amplitúdója, ω pedig a rezgés körfrekvenciája, ami a rezgés f frekvenciájával és T periódusidejével a következ kapcsolatban van: ω = 2πf = 2π T. A zárójelekben lév id ben változó mennyiség a rezgés fázisa, ϕ pedig az úgynevezett kezd fázis (a fázis nagysága a t = 0 pillanatban). 1. Kísérlet: körmozgás és rezgés Ha egy egyenletes körmozgást a körmozgás síkjából nézünk (vagy párhuzamos fénynyalábbal megvilágítjuk, és az árnyékát nézzük), akkor egy harmonikus rezg mozgást látunk ugyanolyat, mint egy megfelel en méretezett rugóra akasztott test mozgása. A rezgés amplitúdója a körpálya sugarával, körfrekvenciája a körmozgás szögsebességével egyezik meg. Ezt az analógiát használjuk fel: rezgéseket forgó vektorok segítségével vizsgálunk. 2

2. Azonos frekvenciájú rezgések összeadása Egy rendszer mozgását gyakran több rezgés összegeként (szuperpozíciójaként) írhatjuk le. Legyen el ször a két rezgés azonos frekvenciájú: ω 1 = ω 2 = ω. A rezgések kitérését leíró id függvények: x 1 (t) = A 1 cos (ωt + ϕ 1 ) x 2 (t) = A 2 cos (ωt + ϕ 2 ). Határozzuk meg a két rezgés összegét algebrai úton! Keressük a megoldást x(t) = A cos(ωt + ϕ) alakban. Bontsuk fel mindhárom id függvényt addíciós tételek segítségével, és írjuk fel az x 1 (t) + x 2 (t) = x(t) egyenletet: A 1 (cos ωt cos ϕ 1 sin ωt sin ϕ 1 ) + A 2 (cos ωt cos ϕ 2 sin ωt sin ϕ 2 ) = = A (cos ωt cos ϕ sin ωt sin ϕ). Ez az egyenlet csak akkor teljesülhet minden t id pillanatban, ha a cos ωt-s és sin ωt-s tagokra külön-külön is teljesül, ebb l (a második egyenletben 1-gyel egyszer sítve): A 1 cos ϕ 1 + A 2 cos ϕ 2 = A cos ϕ A 1 sin ϕ 1 + A 2 sin ϕ 2 = A sin ϕ. Ez egy kétismeretlenes egyenletrendszer A-ra és ϕ-re. ϕ tangense a két egyenlet hányadosából azonnal adódik: tg ϕ = A 1 sin ϕ 1 + A 2 sin ϕ 2 A 1 cos ϕ 1 + A 2 cos ϕ 2, A-t pedig úgy lehet megkapni legegyszer bben, ha mindkét egyenletet négyzetre emeljük, és összeadjuk (ennek végigszámolását az olvasóra bízzuk), amib l A = A 2 1 + A 2 2 + 2A 1 A 2 cos (ϕ 1 ϕ 2 ). Keressük most meg az ered rezgés amplitúdóját fazorok segítségével! A két vektor azonos szögsebességgel forog, így relatív helyzetük nem változik. Gondolatban akár bele is ülhetünk a vektorokkal együtt forgó koordináta-rendszerbe. Az ered 3

vektort a szokásos módon megszerkeszthetjük, az ábráról pedig egy koszinusz-tétel felírásával (felhasználva, hogy cos(180 α) = cos α) azonnal adódik: A 2 = A 2 1 + A 2 2 + 2A 1 A 2 cos (ϕ 1 ϕ 2 ). Ugye, sokkal egyszer bb? Ezen kívül szemléletesebb is: jól látszik, hogy A akkor lesz maximális, ha a két vektor egy irányba mutat, azaz a két rezgés fázisa megegyezik, és akkor lesz minimális, ha a vektorok ellentétes irányúak, azaz a fázisok között π fáziskülönbség van. Az ered amplitúdó lehetséges értéke: A 1 A 2 A A 1 + A 2. 3. Különböz frekvenciájú rezgések összeadása, lebegés Legyen most a két frekvencia különböz (ω 1 ω 2 ), viszont az egyszer ség kedvéért az amplitúdók azonosak (A 1 = A 2 = A). Ekkor a két rezgés közötti fáziskülönbség folyamatosan változik, így az id mérés kezdetének választhatunk egy olyan pillanatot, amikor a két fázis megegyezik. Az id függvények: A két rezgés összege: x 1 (t) = A cos ω 1 t x 2 (t) = A cos ω 2 t. x(t) = A (cos ω 1 t + cos ω 2 t) = 2A cos ω 1 ω 2 2 Ha a két frekvencia közti különbség kicsi, azaz ω 1 ω 2 ω 1 + ω 2 t cos ω 1 + ω 2 t. 2 akkor az ered mozgás id függvénye ω 1 + ω 2 2 ω 1 ω 2 2 = ω ω 1 ω 2 = ω L ω x(t) = 2A cos ω L t cos ωt alakba írható. Az els koszinuszos tényez sokkal lassabban változik, mint a második, így a mozgás felfogható egy olyan ω körfrekvenciájú rezgésnek, melynek amplitúdója ω L körfrekvenciával (lassan) változik 0 és 2A között. Ez a lebegés jelensége (T L = 2π/ω L ). 4

4. Kísérlet: lebegés A lebegés jelenségét használják a zenészek a hangszerek összehangolásához: két, kicsit eltér hangmagasság egyszerre megszólaltatva lebeg, periodikusan változó hanger sséget eredményez, míg ha a két hang frekvenciája (magassága) megegyezik, a lebegés megsz nik. A kísérletben két egyforma hangvilla közül az egyiket egy kis lovas (az egyik hangvillaszárra szerelt apró súly) segítségével elhangolunk, majd a két hangvillát egyszerre megszólaltatjuk. Jól hallható a lebegés (pedig a két hangvilla külön-külön megszólaltatva az átlagos fül embernek teljesen egyformának hallatszik). 5. Mechanikai hullámok interferenciája A hullámterjedés a természet egyik legáltalánosabb mozgásformája. A mechanikai hullámok közül a víz felületi hullámai közvetlenül is meggyelhet k. Mindenki látott már egy pontszer hullámforrás (például egy vízbe es tárgy) körül kialakult koncentrikus hullámokat. A következ feladatban két pontszer hullámforrás által együttesen létrehozott hullámképet fogunk vizsgálni. A hullámok nagyon fontos tulajdonsága, hogy a hullámok szuperpozíciójakor egymást er síteni és gyengíteni (esetleg kioltani) is képesek. Ez az interferencia jelensége. Vizsgáljuk az ered kitérést a P pontban! Tegyük fel, hogy a két hullámforrás azonos ω körfrekvenciával és azonos fázisban indít hullámokat. A P pontba azonban ezek a hullámok valamekkora késéssel fognak megérkezni. A késés mértéke a hullám c terjedési sebességét l és a P pont forrásoktól mért távolságától függ. Az egyes források által keltett kitérés a P pontban eszerint: [ x 1 (P) = A cos x 2 (P) = A cos ( ω t r )] ( 1 = A cos [ ( c )] ω = A cos t r 2 c ) ωt ω c r 1 ( ωt ω ) c r 2, hiszen a c sebességgel terjed hullámok r távolságot r/c id alatt tesznek meg, ennyivel kés bb érkeznek meg a P pontba. Az x(p) = x 1 (P) + x 2 (P) ered kitérés amplitúdó a 2. feladatban kapott eredmény alapján: [ ω ] A(P) = A 2 + A 2 + 2A 2 cos c (r 1 r 2 ). Mikor lesz az ered amplitúdó maximális? Ha [ ω ] cos c (r 1 r 2 ) = 1 ω c (r 1 r 2 ) = 2nπ, r 1 r 2 = n 2π ω c = n c f n Z = nct = nλ. 5

Tehát azokban a pontokban lesz maximális er sítés, amelyekben a két forrástól mért távolság különbsége a hullám λ hullámhosszának egész számú többszöröse. Ezekben a pontokban az ered amplitúdó a források amplitúdójának kétszerese, a hullám intenzitása (er ssége) pedig az egyes intenzitások négyszerese. (Gondolatmenetünkben felhasználtuk, hogy λ = ct, hiszen a c sebességgel haladó hullám a T periódusid alatt éppen egy hullámhossznyi utat tesz meg, valamint hogy az intenzitás az amplitúdó négyzetével arányos.) Hol helyezkednek el ezek a pontok? Olyan hiperbola íveken, melyek fókuszai a források. Az er sítési helyekhez hasonlóan megtalálhatjuk a kioltási helyeket is: [ ω ] cos c (r 1 r 2 ) = 1 ω c (r 1 r 2 ) = (2n + 1)π, n Z r 1 r 2 = (2n + 1) π ω c = (2n + 1)λ 2. Tehát azokban a pontokban, amelyekben a két forrástól mért távolság különbsége a fél hullámhossz páratlan számú többszöröse. Ezekben a pontokban az ered amplitúdó nulla. (A hullámok terjedés közbeni gyengülését mindvégig elhanyagoltuk.) Ezek a pontok is hiperbolaíveken helyezkednek el. 6. Váltóáramú hálózatok: soros RC-kör Vizsgáljunk egy soros RC-kört: egy ohmos ellenállást és egy kondenzátort sorba kötve szinuszosan változó feszültségre kötünk. Az ohmos ellenálláson a feszültség és az áramer sség hányadosa mindig ugyanakkora, ezért U R (t) = RI(t) minden id pillanatban teljesül, a két id függvény fázisa megegyezik. A kondenzátornál bonyolultabb a helyzet (akik nem tanultak deriválni, d helyére írjanak -t): I(t) = dq dt = C du C dt. 6

Ha a kondenzátor feszültségét U C (t) = ÛC sin ωt alakban írjuk fel (ÛC a feszültség csúcsértéke), akkor az áramer sség id függvénye (deriválással vagy aki még nem tanult deriválni, az fogadja el az eredményt): I(t) = ICω cos ωt = Î cos ωt, ahol Î = CωÛC az áramer sség csúcsértéke. Eszerint a kondenzátor (kapacitív) ellenállása X C = ÛC I = 1 Cω, és az áramer sség I(t) függvénye 90 -kal siet a kondenzátoron es feszültség U C (t) függvényéhez képest. A soros kapcsolás miatt ahogy az ábrán látszik minden pillanatban teljesül az U(t) = U R (t) + U C (t) Kirchho-törvény. (De ez csak az id függvényekre igaz! A csúcsértékekre és az eektív értékekre nem!) Ábrázoljuk az áramid és feszültségid függvényeknek megfelel fazorokat! A gyakorlatban használt eektív értékek mindenhol a csúcsértékek 2-ed részei, így megtehetjük, hogy mindent ennyivel kicsinyítve rajzolunk fel, és így a rajzon csúcsértékek helyett az eektív értékek látszanak. Minden fazor ω szögsebességgel forog, így a forgó koordináta-rendszerbe beülve állóképet látunk. Vegyük fel az áram fazorát vízszintesen. Az ohmos ellenállás fazora vele fázisban lesz, a kapacitív ellenállásé pedig 90 -kal késik hozzá képest. Az U(t) feszültség fazorát a két feszültséget ábrázoló fazor ered jeként kapjuk meg. Az ábráról leolvasható, hogy U = ( ) 2 1 UR 2 + U C R 2 = 2 + I. Cω 7

Ha az összes eektív feszültséget ábrázoló fazor hosszát elosztjuk az áramer sség effektív értékével, akkor ellenállásokat kapunk. Az ered feszültség és az áram hányadosa az áramkör ered ellenállása: Z = U I A következ ábrán már az ellenállások vektorábrája látható. Err l közvetlenül leolvasható a soros RC-kör jól ismert Z ered ellenállása, valamint meghatározható az ered feszültség áramer sséghez viszonyított ϕ fázisa (késése): Z = cos ϕ = R Z. ( ) 2 1 R 2 + XC R 2 = 2 + Cω 7. Váltóáramú hálózatok: soros RLC-kör Ehhez teljesen hasonlóan írható le a soros RLC-kör is. A tekercs viselkedését az indukció-törvény alapján írhatjuk fel: U L = L di(t) dt Ha I(t) = Î cos ωt most is, akkor a tekercsen es feszültség (ismét deriválással) U L (t) = LωÎ sin ωt = ÛL sin ωt, azaz most az áram késik 90 -kal a tekercs feszültségéhez képest. Itt is bevezetjük a tekercs (induktív) ellenállását:. X L = ÛL Î = Lω. 8

A Kirchho-törvény miatt az id függvényekre (de megint csak azokra!) teljesül: U(t) = U R (t) + U C (t) + U L (t). Ábrázoljuk az el z feladathoz hasonlóan az áramer sséget és a feszültségeket fazorokkal. A tekercs feszültsége siet 90 -kal az áramer sséghez képest. Az ered feszültség fazorja ismét a három feszültséget ábrázoló fazor ered je. Az ábráról leolvasható, hogy ( U = UR 2 + (U L U C ) 2 = R 2 + Lω 1 ) 2 I. Cω Készítsük el ismét az ellenállásokat ábrázoló vektorábrát is. Err l közvetlenül leolvasható az ered ellenállás és a fázisszög: ( Z = R 2 + (X L X C ) 2 = R 2 + Lω 1 ) 2 Cω cos ϕ = R Z. A képletb l kiolvasható, hogy az ered ellenállásnak minimuma van, ha Lω = 1 Cω, 9

azaz ω = 1 LC. Ez a rezonancia esete. A feszültség attól függ en siet vagy késik az áramer sséghez képest, hogy az induktív vagy a kapacitív ellenállás nagyobb-e. Rezonancia esetén az áram és a feszültség azonos fázisú. 8. Komplex számok A valós számok körében nincs megoldása az x 2 = 1 egyenletnek. A számkör b vítésével azonban ez az egyenlet is megoldható. Az i képzetes egységet éppen az i 2 = 1 összefüggéssel vezetjük be (bár az egyenlet nem deniálja egyértelm en i-t, hiszen ( i) 2 is 1). A z = ai + b alakú számokat (ahol a és b valós) komplex számoknak nevezzük. A komplex számokkal a valós számokhoz hasonlóan lehet m veleteket végezni. A részletes ismertetés helyett álljon itt néhány példa: (1 + i) + (3 2i) = 4 i (1 + i)(3 2i) = 3 2i + 3i 2i 2 = 5 + i 1 + i 3 2i (1 + i)(3 + 2i) = (3 2i)(3 + 2i) = 1 + 5i 13 = 1 13 + 5 13 i. A komplex számokat ábrázolhatjuk egy kétdimenziós koordináta-rendszerben, ahol a vízszintes tengelyen szokás a szám valós részét, a függ legesen a képzetes részét ábrázolni. Ez alapján láthatjuk, hogy a komplex számok és a sík vektorai között kölcsönösen egyértelm megfeleltetést adhatunk meg. A komplex számot így jellemezhetjük a hozzá tartozó vektor hosszával és a vektor valós tengellyel bezárt szögével is. El bbit a komplex szám abszolút értékének nevezzük. Az abszolút érték és a ϕ szög a és b segítségével kifejezhet : z = a 2 + b 2 cos ϕ = a z. Ez alapján a komplex számot így is felírhatjuk: z = z cos ϕ + z sin ϕi 10

Vegyük észre, hogy egy valós számmal való szorzás a komplex szám hosszát változtatja meg, az i-vel való szorzás viszont +90 -kal elforgatja (lásd az ábrán)! (3 2i)i = 2 + 3i. 9. Komplex ellenállások, bonyolultabb váltóáramú hálózatok számolása Kapcsoljuk össze az eddigieket! A váltóáramú ellenállásokat vektorokkal ábrázoltuk, a vektoroknak viszont komplex számokat feleltettünk meg: ennek alapján bevezetjük a komplex ellenállásokat. Ezeket hogy megkülönböztessük a valós értékekt l -gal fogjuk jelölni. Az ohmos ellenálláson a feszültség és az áram fázisban van, így az ohmos ellenállás komplex ellenállása is valós: R = R. Az induktív ellenálláson a feszültség 90 -kal siet az áramhoz képest, így a komplex ellenállásnak az áram fazorát +90 -kal kell elforgatnia. Ez alapján X L = Lωi. A kapacitív ellenállásnál viszont késik a feszültség az áramhoz képest, itt 90 -os forgatásra van szükség, ami i-vel való osztással ( i-vel való szorzással) valósítható meg: X C = 1 Cωi. Egy hálózat ered komplex ellenállása ezután egyszer en ugyanúgy számolható, mint az egyenáramú hálózatoknál (csak itt komplex számokkal kell m veleteket végezni). Soros kapcsolásnál az ellenállások összeadódnak, például egy soros RC-körben a komplex ellenállás, valamint az abból meghatározott valós érték: Z = R + XC = R + 1 Cωi = R 1 Cω i ( ) 2 1 Z = Z = R 2 +, Cω ugyanúgy, ahogy korábban is megkaptuk. Ez a módszer azonban bonyolultabb, soros és párhuzamos kapcsolásokat vegyesen tartalmazó kapcsolásban is használható, ahol a fazoros számolás már nagyon bonyolult volna. A vállalkozó kedv olvasónak javaslom házi feladatként az ábrán látható kapcsolás ered ellenállásának meghatározását. 11

10. Euler-összefüggés: a komplex számok exponenciális alakja Befejezésként felírjuk a nagyon meglep és szép Euler-összefüggést : e ix = cos x + i sin x, ahol e 2, 718, egy sok különleges tulajdonsággal rendelkez irracionális szám. Ezt felhasználva bevezethetjük egy szinuszosan változó feszültség komplex id függvényét: U (t) = Ûei(ωt+ϕ) = Û cos(ωt + ϕ) + iû sin(ωt + ϕ). A kifejezést a hatványozás azonosságainak felhasználásával átalakítva: Ûe i(ωt+ϕ) = Ûeiϕ e iωt = Û e iωt, ahol az Û = Ûeiϕ id t l független komplex szám a komplex feszültség, amely a feszültség nagyságát és fázisát adja meg. Ehhez teljesen hasonlóan bevezethet a komplex áramer sség is. A komplex feszültségekkel és áramokkal, valamint a komplex ellenállásokkal ugyanúgy számolhatunk, mint ahogy azt az egyenáramokkal és az ohmos ellenállásokkal megtanultuk, tehát például felírhatjuk az Ohm-törvényt: Û = Z Î. (Ez az összefüggés nem csak a feszültség és az áramer sség nagysága közt teremt kapcsolatot, hanem a fázisviszonyokat is leírja.) A számítások végén visszatérhetünk a valós függvényekre és értékekre, például: ] U(t) = Re [U (t)] = Re [Û e iωt Û = Û, ahol Re [z] a z komplex mennyiség valós (reális) részét jelenti. 11. Optika: interferencia két keskeny résen A fény elektromágneses hullám, így az optikában is meggyelhetünk interferenciajelenségeket. Az 5. feladatban szerepl két hullámforrásos elrendezést azonban az optikában nehezebb létrehozni, mert nem tudjuk biztosítani, hogy a források azonos fázisban keltsenek hullámokat. Ehelyett egy aránylag távoli fényforrás fényével egy olyan akadályra világítunk, amin két keskeny rés található. 12

A rések mögött a fény nem csak egyenes vonalban halad tovább, hanem szétterül ez az elhajlás jelensége. A rések mögött ugyanolyan hullámképet kapunk, mint ha két, azonos frekvenciájú és azonos fázisú hullámforrásunk lenne. Az interferenciát most egy távoli (a rések távolságánál sokkal messzebb lév ) erny n vizsgáljuk: azt keressük, hogy hogyan változik az intenzitás az erny n az x távolság függvényében. A s útkülönbség meghatározásához felhasználjuk, hogy az erny a rések távolságához képest nagyon messze van, a P pont felé men fénysugarak majdnem párhuzamosak. Az ábra alapján s = d sin ϑ dϑ, ahol d a rések távolsága, ϑ pedig leolvasható az ábráról. Felhasználtuk a kis (radiánban mért) szögekre igaz sin ϑ tg ϑ ϑ közelítést. Maximális er sítést akkor kapunk, ha az útkülönbség a hullámhossz egész számú többszöröse: dϑ = nλ, amib l az er sítések x helye: Az erny n tehát egymástól x = D tg ϑ Dϑ = n λd d. x = λd d távolságra fényes csíkokat fogunk látni. A D és a x távolságok könnyen lemérhet k, és ebb l a rések távolságának ismeretében a fény λ hullámhossza, a hullámhossz ismeretében pedig a (nagyon kicsi) d réstávolság kiszámítható. 13

A korábbi eredményeinket felhasználva azonban nemcsak a fényes csíkok távolságát, hanem az erny n mérhet I(x) intenzitáseloszlást (a fény er sségét a hely függvényében) is meghatározhatjuk. Ha a két fénysugár között s útkülönbség van, akkor a fáziskülönbségük: ϕ = 2π s λ, (hiszen λ útkülönbséghez éppen 2π fáziskülönbség tartozik). Az ered amplitúdó a 2. feladat alapján: az ered intenzitás pedig A(P) = 2A 2 (1 + cos ϕ), ( I(x) = A(P) 2 = 2A 2 (1 + cos ϕ) = 2A 2 1 + cos 2π s λ ( ) πd 4A 2 cos 2 Dλ x. ) [ ( )] 2πd = 2A 2 1 + cos Dλ x = (Felhasználtuk, hogy cos 2 α = (1 + cos 2α)/2.) Az intenzitáseloszlás az ábrán látható. 12. Optika: több keskeny rés, optikai rács, széles rések,... A fazorok segítségével magasabb matematika nélkül szemlélhet és kiszámítható több keskeny résb l álló optikai rendszer interferencia képe is. A nagyon sok résb l álló rendszer neve optikai rács. Megváltozik az interferenciakép (az egyes maximumok nagysága) akkor is, ha a rések szélessége összemérhet a távolságukkal. A fazorok segítségével ez is leírható, számolható. Err l részletesen lehet olvasni (angolul) ebben a cikkben: http://mono.eik.bme.hu/~vanko/wfphc/competitionproblemschool.pdf Házi feladatként javaslom a cikk elolvasását, a cikkben szerepl excel-fájl ( http:// mono.eik.bme.hu/~vanko/wfphc/simulate.zip) letöltését és az azzal való játékot. Vankó Péter 14