Kvázistacionárius jelenségek

Hasonló dokumentumok
Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Az elektromágneses indukció jelensége

FIZIKA. Váltóáramú hálózatok, elektromágneses hullámok

Az elektromágneses indukció jelensége

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

Fizika 1 Elektrodinamika belépő kérdések

Kvázi-stacionárius áramok és

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

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

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

MÁGNESES INDUKCIÓ VÁLTÓÁRAM VÁLTÓÁRAMÚ HÁLÓZATOK

TARTALOMJEGYZÉK. Előszó 9

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

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

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

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

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?

Az elektromágneses indukció jelensége

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

Elektromos áramerősség

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

Elektrotechnika 11/C Villamos áramkör Passzív és aktív hálózatok

Elektromágnesség tesztek

Vezetők elektrosztatikus térben

Ha valahol a mágneses tér változik, akkor ott a tér bizonyos pontjai között elektromos potenciálkülönbség jön létre, ami például egy zárt vezető

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Elektrotechnika 9. évfolyam

A TételWiki wikiből. A Maxwell-egyenletek

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

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

EGYFÁZISÚ VÁLTAKOZÓ ÁRAM

TARTALOMJEGYZÉK EL SZÓ... 13

MÁGNESESSÉG. Türmer Kata

Időben állandó mágneses mező jellemzése

Az elméleti mechanika alapjai

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

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

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

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

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

1. tétel: A harmonikus rezgőmozgás

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

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

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

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

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

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Pótlap nem használható!

Az önindukciós és kölcsönös indukciós tényező meghatározása Az Elektrotechnika tárgy 7. sz. laboratóriumi gyakorlatához Mérésvezetői segédlet

Teljesítm. ltség. U max

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

Áram mágneses hatása, elektromágnes, váltakozó áram előállítása, transzformálása

Az elektromos töltések eloszlása atomokban, molekulákban, ionokon belül és a vegyületekben. Vezetők, félvezetők és szigetelők molekuláris szerkezete.

Mágneses mező jellemzése

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

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

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

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

A teljes elektromágneses spektrum

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

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

Programozható vezérlő rendszerek. Elektromágneses kompatibilitás II.

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

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

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

László István, Fizika A2 (Budapest, 2013) Előadás

Az elektromágneses tér energiája

Elektrotechnika- Villamosságtan

Fizika A2 Alapkérdések

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

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

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

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

A mechanikai alaptörvények ismerete

ELEKTROTECHNIKA-ELEKTRONIKA ELEKTROTECHNIKA

Fizika A2 Alapkérdések

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

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

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

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

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

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

Számítási feladatok megoldással a 6. fejezethez

ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és Kollégium Komplex természettudományi tagozat. Fizika 11. osztály

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

Bevezető fizika (infó), 8. feladatsor Egyenáram, egyenáramú áramkörök 2.

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

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

Mágneses indukcióvektor begyakorló házi feladatok

Váltakozó áram. A töltések (elektronok) a vezetővel periodikusan ismétlődő rezgő mozgást végeznek

Oszcillátorok. Párhuzamos rezgőkör L C Miért rezeg a rezgőkör?

Fizika minta feladatsor

Egyszerű áramkörök árama, feszültsége, teljesítménye

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

EHA kód: f. As,

LI 2 W = Induktív tekercsek és transzformátorok

Elektromos alapjelenségek

Átírás:

0-0 Kvázistacionárius jelenségek Majdnem időben állandó = lassú (periodikus) változás. Időben lassan változó mezők: eltolási áram elhanyagolható a konduktív áram mellet Maxwell-egyenletek: rot E = 1 c B t D t j rot H = 4π c j div D = 4πρ div B = 0 Kontinuitási egyenlet: div j = 0.

0-1 töltéssűrűség nem változik az idő folyamán áramsűrűség normális komponense folytonosan változik különböző határán (töltés nem áramlik át vezetőből szigetelőbe) vezető minden keresztmetszetén ugyanakkora áram folyik át rot E 0 miatt az elektromos térnek nincs potenciálja (mágneses tér változása örvényes elektromos mezőt indukál). Fontos gyakorlati alkalmazás: váltóáramú körök. Elektromos erőművekben: forgási energia elektromágneses energia.

1 ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ 0-2 1. Elektromágneses indukció Oersted (1820): elektromos töltésáramlás mágneses mező forrása (mágneses momentumokat igyekszik elforgatni). Faraday (1831): időben változó mágneses tér elektromos teret kelt. Mi hasznát vehetjük vajon egy újszülöttnek? Állandó mágneses térben a tér irányára merőleges tengely körül forgatható vezető kereten áramot vezetünk oda-vissza forgatónyomaték hat a keretre (megsokszorozható, ha több meneten át vezetjük az áramot: galvanométerek, elektromos motorok, stb.). Fordítva: keretetet forgatva áram indukálódik benne! Indukált feszültség: indukált áramot fenntartó elektromotoros erő.

1 ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ 0-3 Fluxus-szabály: zárt vezető keretben indukált feszültség arányos a keret által közrezárt mágneses fluxus változási sebességével (de független a vezető ellenállásától vezetőre nincs is szükség). ˆ ( ) d B d f E d r = dt = ˆ B t d f Egy pontra zsugorítva (differenciális alak) rot E = B t Lenz törvény: indukált feszültség minden esetben a fluxus megváltozását igyekszik csökkenteni (energiamegmaradás).

1 ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ 0-4 Nyugalmi indukció: nyugvó vezetékek, időben változó mágneses tér. Mozgási indukció: mozgó vezetékek (pl.: csúszó sín) időben állandó mágneses mezőben. Töltéshordozókra ható mágneses Lorentz erő felfogható mint egy elektromos mező hatása: elektromotoros erő. Nyugalmi és mozgási indukció relativitása. Indukált Foucault áramok (örvényáramok) disszipatív hatása. Váltakozó áramú generátor: elektromos motorban áram lép fel a keret forgatásakor. Jedlik (1861): dinamó effektus.

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-5 2. Indukciós együttható és váltóáramú körök Időben változó elektromos áram időben változó mágneses tér indukált elektromos áram. Ha egy hálózatban a k-adik vezetőkör elektromotoros ereje E k, ellenállása R k, a benne folyó áram I k, míg a rajta átmenő fluxus Φ k, akkor (Ohmtörvény) R k I k = E k 1 c dφ k dt Vezetőkörben folyó I erősségű áram I-vel arányos H mágneses tér vezetőkörön átmenő Φ fluxus arányos I-vel. Φ i = c k L ik I k

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-6 L ik = L ki a kölcsönös indukciós együttható (L ii elnevezése: önindukciós együttható). Függetlenek az I k áramoktól (vezetőkörök kölcsönös viszonyát jellemzik). Általánosított Ohm-törvény: R k I k = E k 1 c dφ k dt = E k j L kj di j dt Elsőrendű közönséges differenciálegyenlet-rendszer az áramerősségek meghatározására. Példa: RL-kör (R ohmikus ellenállásból és L önindukciójú tekercsből álló áramkör). I(t) az áramerősség és E(t) az elektromotoros erő L di dt = E(t) RI(t)

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-7 Ha E(t)=E 0 (időben állandó), akkor ( d I E ) 0 dt R = di dt = 1 L (E 0 RI) = R L ( I E ) 0 R amelynek általános megoldása (τ = L R a relaxációs idő) I E 0 R = Ae Rt L = A exp ( t τ ) Másrészt (I(0)=I 0 az áramerősség értéke t=0 időpontban) I 0 E 0 R = A így I(t) = ( I 0 E ) ( 0 exp t R τ ) + E 0 R

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-8 Az áramerősség exponenciálisan telítődik, aszimptotikusan megközelítve a stacioner I = E 0/R értéket (folyamat sebességét a τ relaxációs idő határozza meg). Ha kikapcsoljuk a feszültségforrást (E 0 = 0), akkor az áramerősség exponenciálisan csökken (tranziens jelenség): indukált elektromotoros erő a Lenz törvénynek megfelelően bekapcsoláskor csökkenti, míg kikapcsoláskor növeli a kör elektromotoros erejét (negatív visszacsatolás). E(t) = E 0 cos ωt periodikus gerjesztés esetén di dt + R L I(t) = E 0 L cos ωt Inhomogén lineáris egyenlet általános megoldása = homogén egyenlet általános megoldása + inhomogén egyenlet partikuláris megoldása.

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-9 ( I(t) = A exp t τ ) + I p (t) Homogén egyenlet A exp ( ) t τ megoldása a tranziens jelenségeket írja le, a hosszú idejű (stacioner, azaz aszimptotikus) viselkedésért a partikuláris megoldás a felelős. Keressük a partikuláris megoldást I p (t) = A cos ωt + B sin ωt alakban (A és B integrációs állandók). Fenti alakot az egyenletbe behelyettesítve: (A cos ωt + B sin ωt) + τ ( Aω sin ωt + Bω cos ωt) = E 0 R cos ωt

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-10 megoldása A + Bωτ = E 0 R B Aωτ = 0 A = B = E 0 R(1 + ω 2 τ 2 ) = E 0 R R 2 + ω 2 L 2 = E 0 R2 + ω 2 L 2 E 0 ωτ R(1 + ω 2 τ 2 ) = E 0 ωl R 2 + ω 2 L 2 = E 0 R2 + ω 2 L 2 R R2 + ω 2 L 2 ωl R2 + ω 2 L 2 Válasszuk δ-t úgy, hogy cos δ = sin δ = R R2 + ω 2 L 2 ωl R2 + ω 2 L 2

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-11 Partikuláris megoldás I p (t) = E 0 R2 + ω 2 L 2 (cos δ cos ωt + sin δ sin ωt) = E 0 Z cos (ωt δ) δ =arctan ( ) ωl R a fáziskésés (ωl az induktív ellenállás), míg Z = R 2 + ω 2 L 2 az impedancia. Hosszú idő után a tranziens tagok eltűnnek, és csak a (partikuláris megoldásból származó) I (t) = 1 Z E(t δ /ω) stacioner tag marad meg. A P (t)=e(t) I(t) teljesítmény átlagértéke (T = 2π ω a periódusidő)

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-12 P = 1 T ˆT 0 P (t) dt = ω 2π E 2 0 Z 2π ˆω 0 cos ωt cos(ωt δ) dt Mivel ˆT cos 2 (ωt) dt= π ω és ˆT cos(ωt) sin(ωt) dt=0 0 0 ezért P = E 2 0 2Z cos δ δ = π 2 esetén P = 0, a Joule-hő eltűnik ( wattnélküli áram, pl. csengőinduktorban vagy terheletlen transzformátorban), ha az R ohmikus ellenállás sokkal kisebb az ωl induktív ellenállásnál: R ωl.

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-13 Transzformátor: induktíve csatolt primér és szekunder áramkör. Primér körben E(t) elektromotoros erő hatására I 1 (t) áram folyik, amely I 2 (t) áramot gerjeszt a szekunder körben. ezért di 1 R 1 I 1 (t) = L 11 dt L di 2 12 dt + E(t) R 2 I 2 (t) = L 21 di 1 dt L 22 di 2 dt di 1 R 2 I 2 (t)= L 21 dt L di 2 22 dt = L di 1 21 dt L 22 L 12 = L 22 L 12 (E(t) R 1 I 1 (t)) ( di 1 E(t) R 1 I 1 (t) L 11 dt ) di1 ( L 21 L 22 L 12 L 11 dt )

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-14 L ij indukciós együttható arányos mindkét kör menetszámával ha primér tekercs menetszáma n 1 és szekunderé n 2, akkor L 12 L 11 = n 2 n 1 = L 22 L 12 Primér kör ellenállása általában elhanyagolható (R 1 = 0 a hővesztesség minimalizálása végett), így R 2 I 2 (t) = L 22 L 12 E(t) = n 2 n 1 E(t) = E (t) Olyan, mintha szekunder körben E (t) elektromotoros erő keltené az áramot, a primér körével ellentétes fázisban arányosan megnövelt (csökkentet) elektromotoros erő.

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-15 Rezgőkör: sorosan kapcsolt R ohmikus ellenállás, L induktivitás és C kapacitású kondenzátor. Ha E(t) a kör elektromotoros ereje, I(t) a benne folyó áram erőssége, és Q(t) a kondenzátor fegyverzetein felhalmozódó töltés, akkor és RI(t) = E(t) L di dt Q(t) C I(t) = dq dt E(t) = 0 esetén a megoldás (csillapított rezgés) Q(t) = q 0 exp( βt) sin(ωt+δ)

2 INDUKCIÓS EGYÜTTHATÓ ÉS VÁLTÓÁRAMÚ KÖRÖK 0-16 ahol ω = 1 LC R2 4L 2 β = R 2L a körfrekvencia és a csillapítási tényező (q 0 és δ a kezdeti feltételek által meghatározott integrációs állandók).

3 A FÖLD MÁGNESES TERE 0-17 3. A Föld mágneses tere Gilbert (XVI. sz.): 1. Föld jó közelítéssel egy centrális mágneses dipólus; 2. pólusok a sarkok közelében találhatók (forgástengely és mágneses tengely szöge kb. 11 ); 3. dipólnyomaték nagysága kb. a Földdel azonos tömegű acélmágnes momentumának fele! Valójában excentrikus dipólus (mágneses és tömegközéppont különbözik, a térerősség komponensei a mágneses egyenlítő átellenes pontjaiban eltérnek), dipólmező járuléka kb. 90%. Naptevékenység jelentős befolyása (ionoszférában áram indukálódik háborgások, napfoltciklus).

3 A FÖLD MÁGNESES TERE 0-18 Szekuláris (lassú) változások: pólusok vándorlása (átlagban a mágneses pólusok egybeesnek a földrajzi pólusokkal), dipólmomentum csökkenése. Paleomágneses vizsgálatok: kb. 2.5 milliárd éve létezik dipólmező, amely időről-időre megfordul (kb. félmillió évente, utolsó térfordulás vagy 700 ezer éve volt); fontos érv a lemeztektonika (kontinensvándorlás, óceáni kéreg szétterülése) mellett. Mágneses mező eredete: 1. ferromágneses elmélet (cáfolat: paramágneses átalakulás magas hőmérsékleten); 2. terresztrikus áramok (fenntartó elektromotoros erő, Joule-hő??); 3. dinamóelmélet: differenciális rotáció a Föld képlékeny rétegeiben (külső mag) plazmaáramokat hozz létre, ezek önfenntartó mágneses mezőt indukálnak.

3 A FÖLD MÁGNESES TERE 0-19 Magnetoszféra: Föld külső mágneses burka, ahol a töltött részecskék mozgását a mágneses tér határozza meg (alsó határa az ionoszféra). Nem szimmetrikus, elnyújtott cseppalakját a napszél alakítja: kiterjedése néhánytól 100-1000 földsugárnyi, térerősség nagysága kb. 3 7 10 2 T. Mágneses mező kettős sugárzási övezetbe (van Allen-övek) csapdázza a világűrből (napszél és kozmikus sugárzás) származó töltött részecskéket, amelyek 1 s-os periódusidővel oszcillálnak spirális pályákon a mágneses pólusok között. Pólusváltáskor sugárzási övek megszűnnek, de az ionoszféra továbbra is védelmet nyújt. Belső övezet: 1-6 ezer km, főleg protonok. Külső övezet: 15-25 ezer km, főleg elektronok. Ha a beeső részecskék sebessége kis szöget zár be az indukciós vektorral, akkor nem csapdázódnak, hanem az É-i és D-i 60-ik szélességi fokok fölött behatolnak a légkörbe és ionizálják azt sarki fény.

3 A FÖLD MÁGNESES TERE 0-20 Merkúr, Jupiter: hasonló jellegű mágneses mező. Neptunusz: momentuma az egyenlítői síkban. Vénusz, Hold, Mars: nincs számottevő mágneses mező. Dinamóeffektushoz valószínűleg gyors forgás (ellenpélda: Vénusz, Hold), plazmatikus mag (ellenpélda: Hold), és kellő méretű árapályt keltő kisérők szükségesek (ellenpélda: Mars).