Elektromosságtan. Farzan Ruszlán SZE, Fizika és Kémia Tsz szeptember 29.

Hasonló dokumentumok
Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

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

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Vezetők elektrosztatikus térben

Pótlap nem használható!

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

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

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

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

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Fizika II minimumkérdések. A zárójelben lévő értékeket nem kötelező memorizálni, azok csak tájékoztató jellegűek.

Az elektromágneses indukció jelensége

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Fizika 1 Elektrodinamika belépő kérdések

Fizika A2 Alapkérdések

Fizika A2 Alapkérdések

Mágneses erőtér. Ahol az áramtól átjárt vezetőre (vagy mágnestűre) erő hat. A villamos forgógépek mutatós műszerek működésének alapja

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Az elektromágneses tér energiája

Az elektromágneses indukció jelensége

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Elektromágneses hullámok

1. feladat R 1 = 2 W R 2 = 3 W R 3 = 5 W R t1 = 10 W R t2 = 20 W U 1 =200 V U 2 =150 V. Megoldás. R t1 R 3 R 1. R t2 R 2

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

Elektromos alapjelenségek

Elektrosztatika Mekkora két egyenlő nagyságú töltés taszítja egymást 10 m távolságból 100 N nagyságú erővel? megoldás

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

1. ábra. 24B-19 feladat

7. L = 100 mh és r s = 50 Ω tekercset 12 V-os egyenfeszültségű áramkörre kapcsolunk. Mennyi idő alatt éri el az áram az állandósult értékének 63 %-át?

3.1. ábra ábra

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

Fizika belépő kérdések /Földtudományi alapszak I. Évfolyam II. félév/

1. fejezet. Gyakorlat C-41

Magnesia. Itt találtak már az ókorban mágneses köveket. Μαγνησία. (valószínű villámok áramának a tere mágnesezi fel őket)

Időben állandó mágneses mező jellemzése

A mechanikai alaptörvények ismerete

2. Ideális esetben az árammérő belső ellenállása a.) nagyobb, mint 1kΩ b.) megegyezik a mért áramkör eredő ellenállásával

A mágneses tulajdonságú magnetit ásvány, a görög Magnészia városról kapta nevét.

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Az elektromágneses indukció jelensége

2.) Fajlagos ellenállásuk nagysága alapján állítsd sorrendbe a következő fémeket! Kezd a legjobban vezető fémmel!

Elektromágnesség tesztek

A Coulomb-törvény : 4πε. ahol, = coulomb = 1C. = a vákuum permittivitása (dielektromos álladója) elektromos térerősség : ponttöltés tere : ( r)

A Coulomb-törvény : ahol, = coulomb = 1C. = a vákuum permittivitása (dielektromos álladója) k 9 10 F Q. elektromos térerősség : ponttöltés tere :

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Mágneses mező tesztek. d) Egy mágnesrúd északi pólusához egy másik mágnesrúd déli pólusát közelítjük.

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

Elektro- és magnetosztatika, áramkörök

TARTALOMJEGYZÉK EL SZÓ... 13

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

TARTALOMJEGYZÉK. Előszó 9

MÁGNESESSÉG. Türmer Kata

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

Mágnesesség, elektromágnes, indukció Tudománytörténeti háttér Már i. e. 600 körül Thalész felfedezte, hogy Magnesia város mellett vannak olyan talált

FIZIKA. Váltóáramú hálózatok, elektromágneses hullámok

Orvosi Fizika 14. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Mágneses mező jellemzése

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

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. III. Villamos és mágneses tér

1. tétel: A harmonikus rezgőmozgás

Elektrotechnika 9. évfolyam

Fizika minta feladatsor

Megoldás: A feltöltött R sugarú fémgömb felületén a térerősség és a potenciál pontosan akkora, mintha a teljes töltése a középpontjában lenne:

László István, Fizika A2 (Budapest, 2013) Előadás

Villamos tér. Elektrosztatika. A térnek az a része, amelyben a. érvényesülnek.

MÁGNESES INDUKCIÓ VÁLTÓÁRAM VÁLTÓÁRAMÚ HÁLÓZATOK

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

Számítási feladatok megoldással a 6. fejezethez

Kvázistacionárius jelenségek

Mondatkiegészítések június 6.

Fizika II. feladatsor főiskolai szintű villamosmérnök szak hallgatóinak. Levelező tagozat

Tekercsek. Induktivitás Tekercs: induktivitást megvalósító áramköri elem. Az induktivitás definíciója: Innen:

EHA kód: f. As,

1. Elektromos alapjelenségek

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

évfolyam. A tantárgy megnevezése: elektrotechnika. Évi óraszám: 69. Tanítási hetek száma: Tanítási órák száma: 1 óra/hét

Elektrotechnika 11/C Villamos áramkör Passzív és aktív hálózatok

Mágneses szuszceptibilitás mérése

A teljes elektromágneses spektrum

Sztehlo Gábor Evangélikus Óvoda, Általános Iskola és Gimnázium. Osztályozóvizsga témakörök 1. FÉLÉV. 9. osztály

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Mágneses mező jellemzése

Elektrosztatikai alapismeretek

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

EGYFÁZISÚ VÁLTAKOZÓ ÁRAM

1 2. Az anyagi pont kinematikája

Elektromágnesség tesztek

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Elektromos áramerősség

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Elektromos ellenállás, az áram hatásai, teljesítmény

Átírás:

Elektromosságtan Farzan Ruszlán SZE, Fizika és Kémia Tsz. 2006. szeptember 29.

Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Elektrosztatikai 2 / 73

Coulomb-törvény Elektrosztatikai Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor A pontszerű töltés egymásra gyakorolt hatását Coulomb-törvény fejezi ki: A Q pontszerű töltésű test a q pontszerű töltésűre F = 1 4πε 0 Qq r 2 e (1) erővel hat, ahol r a Q töltésből a q-ba mutató vektor, r = r, e = r/r egységvektor, ε 0 a vákuum dielektromos állandója: ε 0 = 8,854 10 12 As/(Vm). A Q körüli elektromos teret az elektromos térerősség-vektor jellemzi. E = (1/q)F (2) 3 / 73

Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Az elektromos térerősség egy vektortér. A vektortérben erővonalakat lehet bevezetni. Erővonal: Azt a vonalat, amelynek minden pontjában az elektromos térerősség vektora érintőirányú erővonalnak nevezik. Az erővonalai a Q pontszerű töltéstől indulnak minden irányba. E +Q E Q 4 / 73

Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Az elektromos tér örvénymentes vektortér: rote = 0. (3) A (3) egyenlet egy tetszöleges C zárt görbe menti integrál formájában is megadható: C E τ dl = 0, (4) ahol E τ a térerősség-vektornak a görbé érintőjének irányába eső komponense az adott pontban. 5 / 73

Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Az elektromos tér fluxusa: Az S felületen átmenő elektromos fluxus Ψ egyenlő az S felületet átszúró erővonalak számával. n E ds Egy makroszkópikus S felületen átmenő fluxus Ψ = E n ds. (5) S 6 / 73

Gauss-tétel Elektrosztatikai Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Gauss-tétel: Egy tetszőleges zárt felületen átmenő elektromos fluxus egyenlő a felület által közbezárt töltések ε 0 -val osztott előjéles összegével: Ha ϱ a töltés sűrűsége, Ψ = E n ds = 1 Q i. (6) ε 0 S i Q = ϱ(r)dv. V Ha a töltések egyenletesen oszlanak el a gömb alakú testben vagy (vezetők esetén) a gömb alakú test felületen, akkor a fluxus számításakor úgy lehet eljárni, mintha az összes töltés a gömb középpontjában lenne koncentrálódva. 7 / 73

Elektromos dipólus Elektrosztatikai Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Elektromos dipólus: egyenlő nagyságú, egymástól l távolságban lévő, de ellenkező előjelű q és +q töltések elektromos dipólust alakítanak. Dipólnyomaték (dipólusmomentum) a d vektor: d = q l, (7) ahol l a negatív töltéstől a pozitívba mutató, a két töltést összekötő vektor. A pontszerű dipólus ( l r esetén) által keltett térerősség-vektor kifejezhető a dipólnyomaték segítségével: E = 1 4πε 0 3e(d e) d r 3. (8) 8 / 73

Az elektromos dipólus erővonalai Elektrosztatikai Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége l + q +q Kondenzátor 9 / 73

Az elektromos erőtér energiasűrűsége e: Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége e = 1 2 ε 0E 2. (9) Kondenzátor 10 / 73

Az elektromos erőtér energiasűrűsége e: Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor e = 1 2 ε 0E 2. (9) Az elektromos tér potenciális energiája: A Q pont-töltés által keltett elektromos térben egy r helyen lévő q töltés W potenciális energiája egyenlő azzal a munkával, amely ahhoz szükséges, hogy ezt a q töltést egy végtelen távoli pontból az r pontba hozzuk. Ha Q és q a pontszerű testeken lévő töltések, a potenciális energia W = 1 4πε Qq r. (10) 10 / 73

Elektromos tér feszültsége Elektrosztatikai Az elektromos tér feszültsége: Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor U(r) = 1 q W. (11) Ha a töltések egyenletesen oszlanak el egy gömbön belül, azaz ϱ = const, akkor a feszültség a gömbön kívül U(r) = 1 4πε 0 Q r, (12) ahol r > R az adott pont távolsága a gömb középpontjától. Itt R a gömb sugara. A vezető gömbön belüli pontokban, vagy a gömb felületén (r R): U = 1 4πε 0 Q R. (13) 11 / 73

Kondenzátor Elektrosztatikai Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Az ilyen rendszer, amely két vezetőből áll, amelyeknek töltései +Q és Q, kondenzátornak nevezik A feszültség és a kondenzátor töltései közötti együtthatót nevezik a kondenzátor C kapacitásának: C = Q U. (14) Ha a két vezető síkjellegű S felületű lemez (un. síkkondenzátor), akkor ahol d a két lemez közötti távolság. C = ε 0 S d, (15) 12 / 73

A kondenzátor között térerősség-vektor abszolút értéke: Coulomb-törvény Gauss-tétel Elektromos dipólus Az elektromos dipólus erővonalai Elektromos tér feszültsége Kondenzátor Az elektromos energia sűrűsége: E = U d. (16) e = ε 0U 2 2d 2. A kondenzátorban tárolt összes energia: W e = 1 2 CU 2 = Q2 2C. (17) 13 / 73

Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény 14 / 73

Mágneses tér Elektrosztatikai Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény A vektortér, és ezért itt is be lehet vezetni az erővonalakat. É D Mágnesrúd erővonalai: Az elktromos töltésektől eltérően északi és déli pólusok külön-külön nem léteznek, ezeket nem lehet szétválasztani, vagyis nincs külön mágneses töltés. Ezért fontos a mágneses dipólnyomaték m. 15 / 73

Elektron mágneses dipólusa Elektrosztatikai Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény Az elektron mágneses dipólnyomatéka: m = eh 4πm l, ahol e az elektron töltése, m az elektron tömege, h a Planck-állandó, l pedig a pályamomentum kvantumszám. Ha l = 1, akkor Bohr-felé magneton: m = µ B = eh 4πm = 9,274 10 24 J m 2 /V s. (18) Ilyen atomokból, mint elemi mágnesekből áll a mágnesrúd. 16 / 73

Mágneses indukció Elektrosztatikai Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény A erősségét a B mágneses indukció vektor jellemzi: hosszú, egyenes vezetéken átfolyó áram által egy adott M pontban keltett indukció vektora B = µ µi [I r], B = 2πr2 2πr, (19) ahol µ mágneses permeabilitás, vákuumban µ 0 = 4π 10 7 Vs/(Am). B M r I 17 / 73

Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény A dielektrikus állandót és a mágneses permeabilitást fontos kapcsolat összeköti: c = ahol c a fény sebessége vákuumban. 1 ε0 µ 0, (20) 18 / 73

Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény A dielektrikus állandót és a mágneses permeabilitást fontos kapcsolat összeköti: c = ahol c a fény sebessége vákuumban. A indukcióvektorára igaz, hogy divb = 0, ahol S egy zárt felület. 1 ε0 µ 0, (20) vagy másképpen S B n ds = 0. (21) 18 / 73

Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény Mágneses indukcióra vonatkozó a Biot-Savart törvény általános formája: B(r) = µi 4π l dl r r 3. (22) Az R sugarú I árammal átjárt, köralakú vezető esetén a kör központjában az indukciós vektor B nagysága B = µi 2R, és B merőleges a kör alakú vezető síkjára. Tetszőleges zárt görbén számított mágneses indukció cirkulációja, vagy a gerjesztési törvénye: C B τ dl = µ k I k. (23) 19 / 73

Solenoid Elektrosztatikai A solenoid erővonalai: Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa 4 3 Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény 1 2 A szolenoid belsejében: ahol l a szolenoid hossza. B = B = µ I N l, (24) 20 / 73

Lorentz-törvény Elektrosztatikai Mágneses tér Elektron mágneses dipólusa Mágneses indukció Solenoid Lorentz-törvény Lorentz-törvény: A ben v sebességgel mozgó q töltésre ható erő F = qv B. (25) Ennek segítségével kimutatható, hogy a vezetékre a benne áramló töltések miatt ható erő F = Il B, (26) ahol az l vektor nagysága megegyezik a vezeték hosszával, iránya pedig az I áram irányával. 21 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén mozgása vákuumban Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső 22 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Nézzük meg először a töltött részecskék mozgását homogén elektromos térben. d 2 r = ηe, E = const, (27) dt2 ahol η = q/m a fajlagos töltés. Az elektron esetében η = 0,1759 10 12 C/kg. A megoldáshoz szükségünk van a kezdeti értékekre: az r 0 = r(0) kezdeti helyvektorra és a v 0 = v(0) kezdő sebességre. Az fewnti egyenlet megoldása skaláris formában: Itt x 0,y 0,z 0 az r 0, x(t) = 1 2 ηe x t 2 + v 0x t + x 0, y(t) = 1 2 ηe y t 2 + v 0y t + y 0, z(t) = 1 2 ηe z t 2 + v 0z t + z 0. v 0x,v 0y,v 0z a v 0 vetületei. (28) 23 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Legyen az origó az r 0 pontban, a z tengely legyen párhuzamos az E vektorral, legyen a v 0 vektor az yz síkban. Akkor x(t) = 0, y(t) = v 0y t, z(t) = 1 2 ηe t2 + v 0z t. (29) 24 / 73

A pálya egy parabola az x = 0 síkban: Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén z z = η E 2v 2 0y y 2 + v 0z v 0y y. (30) Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső v 0 O y x 25 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Ha a v 0 kezdeti sebességi vektor párhuzamos az E térerősség-vektorral, a pálya egy egyenes, ami párhuzamos az E vektorral. A részecske sebességének iránya ebben az esetben az elektromos térben nem változik. 26 / 73

Mozgás homogén ben Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Egy részecske mozgása homogén ben: d 2 ( ) r dr dt 2 = η dt B, B = const. Legyen az origó az r 0 pontban, a z tengely legyen párhuzamos a B vektorral, és legyen v 0 vektor az yz síkban. A megoldás: v 0y x(t) = η B (1 cos(ωt)), y(t) = v 0y η B sin(ωt), z(t) = v 0z t. (31) 27 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Homogén ben a részecske jellemzően spirál-pályán mozog. z h O y x 28 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső A spirál paraméterei: a kör R sugara és a h menetemelkedés: R = v 0 ω sinθ, h = 2πv 0 ω cosθ, ω = η B. (32) Itt θ a B mágneses indukció vektora és v 0 kezdő sebesség vektora közötti szög. 29 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső A spirál paraméterei: a kör R sugara és a h menetemelkedés: R = v 0 ω sinθ, h = 2πv 0 ω cosθ, ω = η B. (32) Itt θ a B mágneses indukció vektora és v 0 kezdő sebesség vektora közötti szög. Ha θ = π/2, akkor h = 0. Így, ha a v 0 kezdősebesség vektor merőleges a B indukció vektorra, a pálya a körré redukálódik. Vagyis a részecske körmozgást végez. Ha θ = 0, vagyis a kezdősebesség vektor párhuzamos a B indukció vektorral, akkor az R sugár eltűnik, ami azt eredményezi, hogy a pálya egyenes vonalú, a B indukció vektorával párhuzamos lesz. 29 / 73

Az elektromos tér munkája Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Vizsgáljuk meg, milyen munkát végez az elektromos tér azzal, hogy egy q töltést elmozdít az A pontból a B pontba. Az energia megmaradási törvénye: mv 2 A 2 + W A = mv2 B 2 + W B, ahol v A és v B a test sebessége az A és a B pontokban. 30 / 73

Az elektromos tér munkája Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Vizsgáljuk meg, milyen munkát végez az elektromos tér azzal, hogy egy q töltést elmozdít az A pontból a B pontba. Az energia megmaradási törvénye: mv 2 A 2 + W A = mv2 B 2 + W B, ahol v A és v B a test sebessége az A és a B pontokban. A test sebességének változása Itt η = q/m a fajlagos töltés. v 2 B = v 2 A + 2η (U A U B ). (33) 30 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Ha v B v A, ( v A 0), a (33) képletet át lehet írni mint v B = v = 2η U, (34) ahol U a feszültségek különbsége az A és B pontokban: U = U A U B. 31 / 73

Mozgás nagy sebességek esetén Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Ha a sebesség közelít a fény sebességéhez, figyelembe kell venni a relativisztikus effektusokat. Az m mozgási tömeg m = m 0 1 v2 c 2, (35) ahol m 0 a test nyugalmi tömege, c pedig a fény sebessége. 32 / 73

A mozgási energia nagy sebesség esetén Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső E mozg = m 0 c 2 1. (36) 1 v2 c 2 1 Ebből U A = 0 és v A = 0 esetén, mivel E = qu v B = v = c 1 1 ( ) 1 + η 2. (37) 0U c 2 Itt η 0 = q/m 0, U = U B. 33 / 73

Ha a testnek az m 0 nyugalmi tömege nem nulla, akkor a test sebessége soha sem lehet egyenlő vagy nagyobb mint c. Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső 34 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Ha a testnek az m 0 nyugalmi tömege nem nulla, akkor a test sebessége soha sem lehet egyenlő vagy nagyobb mint c. Ha pedig egy részecske sebessége egyenlő a fény sebességével, ez azt jelenti, hogy ennek a részecskének nincs nyugalmi tömege. Ilyen részecskék például a látható fény fotonjai, vagy minden más elektromágneses sugárzás fotonjai. Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső 34 / 73

Képcsövek működése Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Az elektromos eltérítésű képcső K A U U0 0 E e F Itt K katód, A anód, E eltérítő lemezek, Ke képernyő, e elektron-nyaláb, F fényfolt. Ke Elektronokat U 0 feszültségű elektromos térrel felgyorsítunk és egy közel párhuzamos nyalábot hozunk létre: v 0 = 2ηU 0. Az elterítő lemezekre kapcsolt feszültség U változtatásával irányítjuk a nyalábot, és azt a képernyő tetszőleges pontjára tudjuk vezetni. A becsapódó elektronok hatására a képernyő fényt bocsát ki, így láthatjuk a képet. 35 / 73

y Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső d l A lemezek között kialakuló térerősség y irányú, és nagysága x E = U d. Az elektronok eltérítés utáni pályájának egyenlete: y(x) = ηe 2v 2 0 l (2x l). 36 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Az elektronok képernyőre történő Y becsapódási koordinátája Y = ml = ηe v 2 0 ll = ll 2dU 0 U, ahol L a képernyő távolsága a lemezpár középpontjától. A képcső eltérítési érzékenysége: S e = dy du = ll 2dU 0. 37 / 73

A mágneses eltérítésű képcső Elektrosztatikai Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső A cső nyakrészén a csövön kívül tekercsek helyezkednek el, és ezeken áramot átfolyatva szabályozható lesz a, így az elektronok mozgási iránya is. a d R a B l 38 / 73

Mozgás homogén elektromos térben Mozgás homogén ben Az elektromos tér munkája Mozgás nagy sebességek esetén A mozgási energia nagy sebesség esetén Képcsövek működése A mágneses eltérítésű képcső Az eltérített elektronok az L távolságban levő képernyő középpontjától Y távolságra csapódnak be: η Y = Ll B. 2U 0 A mágneses eltérítésű képcső eltérítési érzékenysége S m = dy db = Ll η 2U 0. 39 / 73

Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban 40 / 73

Elektromos tér dielektrikumban Elektrosztatikai Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban Ha a síkkondenzátor lapjai közé egy dielektrikum lemezt teszünk, a lapok közötti feszültség U csökken: U < U 0 (itt U 0 a feszültség vákuumban), ugyanakkor a kondenzátor kapacitása növekszik: C = Q U, C > C 0 = Q U 0. (38) Relatív dielektromos állandó (vagy permittivitás): ε = C C 0 = U 0 U > 1. (39) A dielektrikumban a térerősség-vektor nagysága csökken: E = 1 ε E 0. (40) 41 / 73

Dielektromos eltolás Elektrosztatikai Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban Dielektromos eltolás vektora ahol ε a közeg dielektromos állandója. A teljes (abszolút) dielektromos állandó D = εe, (41) ε = ε 0 ε. (42) A vákuumban D = ε 0 E. A dielektrikumban a dielektromos eltolás vektorában belefoglaltunk a P polarizációt: D = ε 0 E + P, P = (ε ε 0 )E. (43) Így a P párhuzamos mind a D indukciós vektorral, mind az E térerősség-vektorral. 42 / 73

Gauss-tétel Elektrosztatikai Gauss-tétel a dielektrikumban: D n ds = S S εe n ds = i Q i. (44) Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban 43 / 73

Gauss-tétel Elektrosztatikai Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban Gauss-tétel a dielektrikumban: D n ds = S S εe n ds = Q i. (44) i Polarizáció vektorával kapcsolatban bevezetjük a szuszceptibilitást: Ezután χ = ε 1 > 0. P = ε 0 χe. 43 / 73

Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Elektrosztatikai Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban Bizonyos dielektromos kristályokban akkor is kialakulhat állandó polarizáció, ha az E külső tér hiányzik. Ezt a jelenséget ferroelektromosságnak nevezik. Ferroelektromosság esetén a P polarizáció az E-nek már nem lineáris, hanem sokkal bonyolultabb és nem egyértelmű függvénye. P b a E 44 / 73

Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban E elektromos tér növelésével a polarizáció csak bizonyos pontig növekszik, ahol megjelenik a telítődés ( a vonal). Ha a térerősség-vektor nagysága csökken, a polarizáció is csökken, de már nem az a vonal, hanem a b vonal szerint. Ezt a jelenséget elektromos hiszterézisnek nevezik. 45 / 73

Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban E elektromos tér növelésével a polarizáció csak bizonyos pontig növekszik, ahol megjelenik a telítődés ( a vonal). Ha a térerősség-vektor nagysága csökken, a polarizáció is csökken, de már nem az a vonal, hanem a b vonal szerint. Ezt a jelenséget elektromos hiszterézisnek nevezik. Piezoelektromosság jelensége a következő: mechanikai feszültség (deformáció) hatására a kristályok polarizálódnak, és a felületükön elektromos töltések alakulnak ki. 45 / 73

Mágneses tér dielektrikumban Elektrosztatikai Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban Homogén, izotróp anyagban a B indukcióvektora és a H erősség-vektor közötti kapcsolat B = µh, (45) ahol a µ permeabilitás (mint anyagállandó) függ a konkrét anyagtól. Bevezetjük a µ relatív mágneses permeabilitást: µ = µ/µ 0. A µ lehet nagyobb, de lehet kisebb is, mint 1. 46 / 73

Mágneses tér dielektrikumban Elektrosztatikai Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban Homogén, izotróp anyagban a B indukcióvektora és a H erősség-vektor közötti kapcsolat B = µh, (45) ahol a µ permeabilitás (mint anyagállandó) függ a konkrét anyagtól. Bevezetjük a µ relatív mágneses permeabilitást: µ = µ/µ 0. A µ lehet nagyobb, de lehet kisebb is, mint 1. Mágneses polarizáció vektora: M = B µ 0 H = (µ 1)µ 0 H. (46) 46 / 73

Elektromos tér dielektrikumban Dielektromos eltolás Gauss-tétel Ferroelektromosság. Piezoelektromosság Mágneses tér dielektrikumban A mágneses polarizáció vektorára igaz M = κµ 0 H, (47) ahol κ a mágneses szuszceptibilitás: κ = µ 1. B, H és M vektorok (homogén, izotróp anyagban) egymással párhuzamosak. A diamágneses a µ relatív permeabilitás valamivel kisebb mint 1 (és κ < 0), a paramágneses µ valamivel nagyobb mint 1 (és κ > 0). Azokat az anyagokat, amelyek jelenlétében az eredeti erősen megváltozik, ferromágneses anyagoknak nevezik. Ezekre az jellemző, hogy µ nagyon nagy, és a B és az M a H-tól már nem lineárisan függnek, hanem a függőség sokkal bonyolultabb és nem egyértelmű. Állandó (permanens) mágnesek csak ferromágneses anyagokból készíthetők. 47 / 73

Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus mozgása vezetőkben és 48 / 73

Elektromos áramlás drift révén Elektrosztatikai Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus Külső elektromos tér E hatására megjelenik a sebességnek egy kitüntetett iránya, a driftsebesség: v = eτ 2m E = µe, (48) ahol az elektronok µ mozgékonysága és a σ fajlagos vezetőképessége: és n a szabad elektronok koncentrációja. Az elektronok által keltett drift áram erőssége: µ = eτ, σ = eµn, (49) 2m j = e n v = σe. (50) 49 / 73

Elektromos áram diffúzió révén Elektrosztatikai Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus Az áramot elindíthatja a töltéshordozók koncentrációkülönbsége is. A mozgás kitüntetett iránya, a diffúzióirány, párhuzamos a koncentrációgradiens vektorával. Részecskék áramlása: Egységnyi idő alatt az x irányra merőleges egységnyi felületen keresztül átmenő részecskék száma (számértékileg a Φ fluxus) egyenlő: Φ = D n x, ahol D a részecskékre vonatkozó diffúziós állandó. Így, az elektronok koncentrációkülönbsége miatt elinduló elektromos áramsűrűség j = e Φ = ed n x. (51) 50 / 73

A Hall-effektus Elektrosztatikai Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus A d vastagságű lemez hosszirányában I erősségű áram halad át. A B indukcióvektora merőleges a lemezre. A lemez haránt irányú középvonalának C és D végpontjai között U H feszültség jelentik meg. Ez a Hall-effektus A I C B + D v B I 51 / 73

A feszültség nagysága U H = R H IB d ahol R H < 0 a Hall-állandó., B = B, (52) Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus 52 / 73

Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus A feszültség nagysága U H = R H IB d ahol R H < 0 a Hall-állandó., B = B, (52) Mágneses térben a mozgó töltésekre a Lorentz-erő hat: F = q(v B) = e(v B), aminek hatására az elektronok a rajzolt vonalaknak megfelelően eltérnek az egyenestől. Így a C pontnál több elektron lesz, mint a D pontnál, és ez a lemez középvonalán negatív feszültség kialakulásához vezet. 52 / 73

Elektromos áramlás drift révén Elektromos áram diffúzió révén A Hall-effektus A feszültség nagysága U H = R H IB d ahol R H < 0 a Hall-állandó., B = B, (52) Mágneses térben a mozgó töltésekre a Lorentz-erő hat: F = q(v B) = e(v B), aminek hatására az elektronok a rajzolt vonalaknak megfelelően eltérnek az egyenestől. Így a C pontnál több elektron lesz, mint a D pontnál, és ez a lemez középvonalán negatív feszültség kialakulásához vezet. A Hall-állandó nagysága R H = 1 ne, (53) ahol n a szabad elektronok koncentrációja. 52 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor és mágneses terek 53 / 73

Az indukció Elektrosztatikai A mozgó töltésre a Lorentz-erő hat, amely egy egyenes vezetőben folyó áram esetén F = I[l B]. Az állandó ben a felfüggesztett vezető bizonyos irányba elmozdul, úgy, hogy közben metszi a erővonalait. E Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor B I l B I D B 54 / 73

Az előző jelenségnek a fordítottja is igaz: ha a felfüggesztett vezetőt úgy mozgatjuk, hogy az mozgás közben metszi a erővonalait, akkor a vezetőben áram keletkezik. Ez az indukált áram. Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor 55 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az előző jelenségnek a fordítottja is igaz: ha a felfüggesztett vezetőt úgy mozgatjuk, hogy az mozgás közben metszi a erővonalait, akkor a vezetőben áram keletkezik. Ez az indukált áram. Zárt vezetőkörben szintén indukált áram keletkezik, ha egy állandó mágnest közelítünk hozzá, vagy távolítunk. Ha a vezető több körből áll, vagyis ha szolenoiddal kísérletezünk, akkor az indukált áram annál erősebb lesz, minél több menetű a szolenoid. Ezeket a jelenségeket elektromágneses indukciónak nevezzük. 55 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az előző jelenségnek a fordítottja is igaz: ha a felfüggesztett vezetőt úgy mozgatjuk, hogy az mozgás közben metszi a erővonalait, akkor a vezetőben áram keletkezik. Ez az indukált áram. Zárt vezetőkörben szintén indukált áram keletkezik, ha egy állandó mágnest közelítünk hozzá, vagy távolítunk. Ha a vezető több körből áll, vagyis ha szolenoiddal kísérletezünk, akkor az indukált áram annál erősebb lesz, minél több menetű a szolenoid. Ezeket a jelenségeket elektromágneses indukciónak nevezzük. Az indukciófluxus: Φ = B n ds. (54) S ahol S a zárt vezetőhurok által körülvett felület, B n pedig a B vektor S-re merőleges komponense. 55 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az R ellenállású zárt vezetőhurok indukált feszültsége: ahol R a zárt vezetőhurok teljes ellenállása. Faraday indukciós törvénye: U = R I, (55) A zárt vezetőben indukált feszültség egyenlő a vezető által határolt felületen átmenő indukciófluxus változásának sebességével: U = dφ dt. (56) 56 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az R ellenállású zárt vezetőhurok indukált feszültsége: ahol R a zárt vezetőhurok teljes ellenállása. Faraday indukciós törvénye: U = R I, (55) A zárt vezetőben indukált feszültség egyenlő a vezető által határolt felületen átmenő indukciófluxus változásának sebességével: Lenz-szabály kifejezése: U = dφ dt. (56) Az indukciós áram mindig úgy irányul, hogy az általa indukált indukcióvektora csökkenti az indukciót létrehozó változást. 56 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Legyen a zárt vezető egy derékszögű keret, és ez a keret forogjon az állandó erővonalaira merőleges tengely körül. E a I B b B D Ha a keret forgása állandó ω szögsebességgel történik, akkor a keret síkja és a erővonalai közötti szög időszerinti változása α = ω t. 57 / 73

Az indukciófluxus: és az indukált feszültség: Φ = B S sin(ωt), (57) U = B S ω cos(ωt). Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az indukált áram erőssége: I = B S ω R cos(ωt). (58) 58 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az indukciófluxus: és az indukált feszültség: Az indukált áram erőssége: Φ = B S sin(ωt), (57) U = B S ω cos(ωt). I = B S ω R cos(ωt). (58) Ez váltakozó elektromos áram, amelynek erőssége és iránya szinuszosan változik. 58 / 73

Ezt az indukciós jelenséget a gyakorlatban széles körűen felhasználják. Minden generátor ezen elv alapján működik. Csak ott nem egy keret forog, hanem egy hengerre egyszerre sok keretet szerelnek fel. A generátor segítségével a mechanikai (rotációs) energia elektromos energiává alakul át. Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor 59 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Legyen két vezető tekercs közel egymáshoz. Az egyikbe vezessünk váltakozó elektromos áramot I 1. A második tekercsben keletkező indukált áram erősségének az időtől való függése is szinusz-függvénynek felel meg. A Faraday-törvény szerint a második tekercsben folyó indukált áram U 2 feszültsége: U 2 = M di 1 dt. (59) Ezt az indukciós esetet kölcsönös indukciónak nevezik. A kölcsönös indukció jelenségét használják fel a transzformátorokban. 60 / 73

Egy zárt tekercsben a váltakozó áram magában a tekercsben is feszültséget indukál. Az U indukált feszültség ekkor U = L di dt. (60) Ez az önindukció. Itt L együttható önindukciós együttható vagy induktivitás. Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor 61 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Egy zárt tekercsben a váltakozó áram magában a tekercsben is feszültséget indukál. Az U indukált feszültség ekkor U = L di dt. (60) Ez az önindukció. Itt L együttható önindukciós együttható vagy induktivitás. Ezt a jelenséget a gyakorlatban az elektromágneses sugárzás körében (pl. antennák stb.) használják fel. 61 / 73

A rezgőkör Elektrosztatikai Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Hozzunk létre rezgőkör, amelyben sorba kapcsoljuk az R ohmos ellenállást, az L induktivitású tekercset és a C kapacitású kondenzátort. R L C U A kört hozzákapcsoljuk az U k sin(ω k t) váltakozó feszültséghez. Ezt a rezgőkört soros RLC-körnek nevezik. 62 / 73

Q-ra nézve a másodrendű lineáris differenciálegyenletet kapjuk: d 2 Q dt 2 + R L dq dt + 1 C L Q = U k L sin(ω kt). (61) Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Ha ezt az egyenletet elosztjuk a C kapacitással, akkor az U = Q/C miatt az U feszültségre hasonló egyenletet kapjuk: d 2 U dt 2 + R L du dt + 1 C L U = U k/(c L) sin(ω k t), és ennek az egyenletnek a megoldása: U = A k sin(ω k t + γ). (62) 63 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Itt A k = továbbá, 1 (ωk 2 ω2 0 )2 + 4β 2 ωk 2 Ez a kényszerrezgés. ω 0 = U k C L, γ = arctg 2βω k ωk 2. ω2 0 1 C L, β = R 2L. (63) 64 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az áramerősség: Az áramerősség amplitúdója I = I 0 cos(ω k t + γ), I 0 = A k Cω k, (64) I 0 = R 2 + U k ( Lω k 1 Cω k ) 2. (65) 65 / 73

A nevezőben szereplő mennyiség hasonló szerepet játszik, mint az Ohm-törvényben az R ellenállás. Ezért a Z = R 2 + ( Lω k 1 ) 2 (66) Cω k kifejezést látszólagos, vagy váltakozó áramú ellenállásnak, más neven impedanciának nevezik. Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor 66 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor A nevezőben szereplő mennyiség hasonló szerepet játszik, mint az Ohm-törvényben az R ellenállás. Ezért a Z = R 2 + ( Lω k 1 ) 2 (66) Cω k kifejezést látszólagos, vagy váltakozó áramú ellenállásnak, más neven impedanciának nevezik. Rezonancia esetén (ω k = ω 0 ) A k = 1 2βω 0 U k C L = 2 R L C U k. 66 / 73

Maxwell-egyenletek Elektrosztatikai Integrálalak Differenciális alak C H τ dl = k I k + Dn t ds D roth = J + t Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor U = S C E τ dl = Φ t D n ds = q rote = B t divd = ϱ B n ds = 0 divb = 0 S 67 / 73

A kontinuitási egyenlet: ρ t + divj = 0. Az anyagegyenletek: Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor D = εe, B = µh, J = σe. 68 / 73

Elektromágneses hullámok kialakulása Elektrosztatikai Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Ideális esetben (R = 0) az RLC rezgőkörben rezgőmozgás alakul ki. A Maxwell-elmélet szerint, az RLC körben az áram, az eltolási áramot is beszámítva, körbe folyik. A rezgőmozgás kezdeti ideje az az időpont, amikor a kondenzátor lemezein maximális töltés alakul ki. Periódusának negyedével később az indukciós tekercsben az elektromos energia mágneses energiává alakul át és megszűnnek a töltések. A következő negyedével később a mágneses energia alakul át elektromos energiává, amely a kondenzátor lemezei között jelenik meg. Közben az összes energia, az elektromos és mágneses energia összege, nem változik. 69 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor a b c A kondenzátor két lemeze között az elektromos tér erővonalai egyenesek lesznek (a. ábra). Ha most a kondenzátor lemezeit szétnyitjuk, az elektromos tér erővonalainak formája a két lemez közötti egyenesekből görbévé változnak és kinyúlnak a lemezeken kívüli térbe (b. ábra). 70 / 73

Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Ha ezt a távolságot növeljük, az erővonalak tovább távolodnak a lemezektől és az energiájának egy része elvész sugárzás formájában. Amikor a kondenzátor lemezei teljesen nyitva vannak (un. nyitott rezgőkör), az erővonalak annyira messzire nyúlnak, hogy az energia tekintélyes része már kisugárzik elektromágneses hullámok formájában kisugárzódik (c. ábra). Elektromágneses hullámok sugárzására a nyitott rezgőkör segítségével energiaforrásra van szükségünk, és ez a forrás egy váltokozó, harmonikus jellegű külső feszültség. U Az ábra mutatja a 1888-ban készített Hertz-féle nyitott rezgőkört (vibrátort). 71 / 73

A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Elektrosztatikai + 0 _ Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor _ a 0 + b Az a. ábra mutatja a t = 0 időpontban az elektromos tér erővonalait, amikor az antenna végein, a gömbökben maximális töltések lokalizálódnak. A t = (1/4)T időpontra az elektromos energia mágneses energiává alakul át, ugyanakkor az antenna gömbjeiben nem lesznek töltések. Ezért az erővonalaknak zártaknak kell lenniük (b. ábra). Ezután ezek az erővonalak eltávolodnak a dipólustól (c. ábra), és a t = (1/2)T időpontra a dipólusra lezáródott erővonalak azonosak lesznek az a. ábrán bemutatottakkal, csak a töltések kicserélődnek. c 72 / 73

Poynting-vektor Elektrosztatikai Az indukció A rezgőkör Maxwell-egyenletek Elektromágneses hullámok kialakulása A kisugárzott hullámok keletkezése és kiterjedése Poynting-vektor Az elektromágneses hullámokban mindig jelen van mind az E térerősségű elektromos tér, mind a H térerősségű. A hullámok által szállított energia-áramsűrűséget az S Poynting-vektor írja le: Itt használtunk S = [E H], S = µ E = ε ahol az e egységvektor a sugárzás irányába mutat. A képletben szereplő impedancia. Z = ε0 µ 0 E 2. (67) [e H], (68) µ ε 73 / 73