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

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

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

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

1. ábra. 24B-19 feladat

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

9. ábra. A 25B-7 feladathoz

3.1. ábra ábra

1. fejezet. Gyakorlat C-41

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

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

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

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

Vezetők elektrosztatikus térben

Elektromos alapjelenségek

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

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

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

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

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Exponenciális és logaritmusos kifejezések, egyenletek

ELEKTROSZTATIKA. Ma igazán feltöltődhettek!

Pótlap nem használható!

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

Elektrosztatikai alapismeretek

Megjegyzés: jelenti. akkor létezik az. ekkor

Megoldások. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

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

Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

Fizika 2 - Gyakorló feladatok

Érettségi feladatok Koordinátageometria_rendszerezve / 5

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Érettségi feladatok: Koordináta-geometria 1/5

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT. Koordináta-geometria

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

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Koordináta-geometria

I. Vektorok. Adott A (2; 5) és B ( - 3; 4) pontok. (ld. ábra) A két pont által meghatározott vektor:

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

1.feladat. Megoldás: r r az O és P pontok közötti helyvektor, r pedig a helyvektor hosszának harmadik hatványa. 0,03 0,04.

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Fizika feladatok február 21.

Számítógépes Grafika mintafeladatok

Figyelem! Csak belső és saját használatra! Terjesztése és másolása TILOS!

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

Vektorok és koordinátageometria

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

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

= 163, 63V. Felírható az R 2 ellenállásra, hogy: 163,63V. blokk sorosan van kapcsolva a baloldali R 1 -gyel, és tudjuk, hogy

1. Elektromos alapjelenségek

17. előadás: Vektorok a térben

ANALÍZIS II. Példatár

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

Koordináta-geometria feladatok (középszint)

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

1. gyakorlat. Egyenletes és egyenletesen változó mozgás. 1. példa

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Segédlet: Főfeszültségek meghatározása Mohr-féle feszültségi körök alkalmazásával

Kifejtendő kérdések június 13. Gyakorló feladatok

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

1. Egy 30 cm sugarú körszelet körívének hossza 120 cm. Mekkora a körív középponti szöge?

A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló FIZIKA I. KATEGÓRIA. Javítási-értékelési útmutató

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Koordináta-geometria

Az f ( xy, ) függvény y változó szerinti primitív függvénye G( x, f xydy= Gxy + C. Kétváltozós függvény integrálszámítása. Primitívfüggvény.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Érettségi feladatok: Trigonometria 1 /6

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Kalkulus. Komplex számok

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

Síkgeometria 12. évfolyam. Szögek, szögpárok és fajtáik

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

9. Írjuk fel annak a síknak az egyenletét, amely átmegy az M 0(1, 2, 3) ponton és. egyenessel;

λ 1 u 1 + λ 2 v 1 + λ 3 w 1 = 0 λ 1 u 2 + λ 2 v 2 + λ 3 w 2 = 0 λ 1 u 3 + λ 2 v 3 + λ 3 w 3 = 0

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Vektorgeometria (1) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Koordinátageometria Megoldások

Skaláris szorzat: a b cos, ahol α a két vektor által bezárt szög.

NE HABOZZ! KÍSÉRLETEZZ!

Minimum követelmények matematika tantárgyból 11. évfolyamon

Helyvektorok, műveletek, vektorok a koordináta-rendszerben

A 2009/2010. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második fordulójának feladatai és megoldásai fizikából. II. kategória

Fizika A2 Alapkérdések

Fa rudak forgatása II.

BME Gépészmérnöki Kar 3. vizsga (112A) Név: 1 Műszaki Mechanikai Tanszék január 11. Neptun: 2 Szilárdságtan Aláírás: 3

Síkbeli egyenesek Egy egyenes az x = 1 4t, y = 2 + t parméteres egyenletekkel adott. Határozzuk meg

Utak és környezetük tervezése

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Optika gyakorlat 2. Geometriai optika: planparalel lemez, prizma, hullámvezető

Szélsőérték feladatok megoldása

1. tétel. 1. Egy derékszögű háromszög egyik szöge 50, a szög melletti befogója 7 cm. Mekkora a háromszög átfogója? (4 pont)

Függvények Megoldások

Elektrosztatika tesztek

Fizika 1 Elektrodinamika belépő kérdések

Egy kinematikai feladat

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Hármas integrál Szabó Krisztina menedzser hallgató. A hármas és háromszoros integrál

8. feladatsor. Kisérettségi feladatsorok matematikából. 8. feladatsor. I. rész

Fizika A2 Alapkérdések

Átírás:

2. Gyakorlat 25A-0 Tekintsünk egy l0 cm sugarú üreges fémgömböt, amelyen +0 µc töltés van. Legyen a gömb középpontja a koordinátarendszer origójában. A gömb belsejében az x = 5 cm pontban legyen egy 3 µc nagyságú pontszerű töltés. Számítsuk ki az elektromos térerősséget a gömbön kívül, az x tengely mentén. Vázoljuk fel az erővonalakat a gömbön kívül és azon belül! A q = 3 µc töltés megosztja a fémgömb töltéseit, az üreg felületén ennek hatására éppen q töltés jelenik meg. A fém belsejében azonban a térerősség továbbra is 0 marad, mert az üreg felületén indukált (megosztott), q (ez jelen esetben pozitív) össztöltésű töltéseloszlás tere és a q tere éppen kompenzálják egymást a fém belsejében. Az üregben a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus. A megosztás miatt a külső gömbfelszínen már nem Q = 0 µc, hanem Q = Q + q = 7 µc töltés lesz. Kívül a tér ugyanolyan lesz, mintha csak egy Q töltés lenne a rendszerben a gömb középpontjában, tehát a tér gömbszimmetrikus és a gömb középpontjától mérve /r 2 -el arányos. Az x tengelyen tehát a tér is x irányú lesz és a gömb középpontjától mérve a távolság négyzetével csökken: Q E = (E x, E y, E z ) = (, 0, 0) (2.) 4 π ε o x2 Az erővonalak (ld. 2. ábra) kívül gömbszimmetrikusak, az üregen belül viszont csak annyit tudunk róluk, hogy az üreg falán megosztott pozitív töltésekről, az üreg falára merőlegesen indulnak és a negatív q töltésen végződnek.

25B-2 2.. ábra. Egyenletesen töltött üreges gömb amiben egy negatív töltés van. Kék a negatív töltést és az üregen belüli erővonalakat, a piros a pozitív töltéseket és a fémgömbön kívüli erővonalakat jelzi. Egy nagyon hosszú, R sugarú fémrúdon σ egyenletes felületmenti töltéssűrűség van. a) Elhanyagolva a rúd végeinek hatását, számítsuk kí az E térerősséget a henger felszínétől R távolságban! b) Számítsuk ki azt a v sebességet, amellyel egy elektron a rúd körül R távolságban stacionárius körpályán mozogna! a) Az, hogy a fémrúd nagyon hosszú azt jelenti, hogy (első közelítésben) végtelennek tekinthetjük. Szimmetria okokból a térerősség merőleges kell legyen az egyenletesen feltöltött henger felületére, ezért nagysága csak a távolságtól függ. A Gauss törvény használatához egy, a fémrúddal koaxiális, henger alakú, r sugarú és l magasságú hengerfelületet vegyünk fel. Mivel a térerősség ennek a hengernek a palástjára mindenütt merőleges és ugyanakkora nagyságú, a határoló körök síkjával pedig párhuzamos, erre a teljes zárt felületre vett fluxus megegyezik az r sugarú hengerpalástra vett fluxussal. Az ezen a felületen belüli összes töltés pedig a σ töltéssűrűség és a fémrúd l hosszúságú szakasza felületének szorzata. A Gauss törvény szerint tehát a térerősség a vezetőn kívül, tőle r távolságra ε o 2 r π l E = 2 R π l σ E(r) = R σ ε o r Innen a térerősség a fémrúdtól r = 2 R távolságban E(R) = σ 2 ε o 2 (2.2)

b) Ha egy elektron kering ezen az r = 2 R sugarú körpályán, akkor e E = m e v 2 r 2 e E R e σ R v = = (2.3) m e ε o m e 25C-20 Szigetelő anyagból készült 2 a sugarú gömbben az egyenletes térfogati töltéssűrűség ρ. (Tételezzük fel, hogy a gömb anyagának nincs hatása a térerősség nagyságára!) Az 2.2 ábrán látható helyen a gömbben a sugarú gömb alakú üreget képezünk. Mutassuk meg, hogy az üregben az elektromos térerősség homogén és nagysága, E x = 0 és E y = ρ a 3ε 0 2.2. ábra. Egyenletesen töltött gömb gömb alakú üreggel A feladatot úgy képzelhetjük el, hogy a homogén üreg nélküli gömbbeli térből levonjuk az üreggel azonos méretű kis gömb terét. Tekintsünk az üregen (kis gömbön) belül egy P pontot, az egyszerűség kedvéért úgy, hogy helyvektorának x koordinátája pozitív legyen, valamint y koordinátája nagyobb legyen mint a, és a forgásszimmetria miatt vehetjük a z = 0 síkot. Jelölje ekkor a nagyobb, illetve a kisebb gömb középpontjából a P pontba húzott sugarat r, ill. r! Ha r és r a vízszintessel φ, illetve α szöget zárnak be (ld. 2.3 ábra), akkor fennállnak, hogy r cosα = r cosφ, (2.4) r sinα + a = r sinφ (2.5) Az elektromos teret úgy számoljuk ki, hogy vesszük a 2 asugarú homogén gömb terét és ebből levonjuk egy a sugarú ugyanakkora töltéssűrűségű gömbét. A 2 a sugarú üreg nélküli gömbben a térerősség a Gauss-törvény alapján számolható: E da = ρ(r) d 3 r (2.6) A 3 V

amelyből a térerősség nagysága 2.3. ábra. Segédábra a szögekkel. E 4 r 2 π = ε o ρ 4 3 r 3 π (2.7) E = A térerősség vektor komponensei: ( ρ E = r cosφ ρ ) r sinφ 3 ε o 3 ε o ρ 3 ε o r (2.8) (2.9) Az üreg miatt levonandó E térerősség hasonlóképpen számítandó ki, csak figyelembe kell venni, hogy r nem φ, hanem α szöget zár be a vízszintessel. Így az (2.8) egyenlethez hasonlóan: E = ρ r (2.0) 3 ε ( o ) ρ E = r ρ cosα, r sinα (2.) 3 ε o 3 ε o Figyelembe véve a (2.4) és (2.5) összefüggéseket ( E e = E E = 0, ρ a ) 3 ε o (2.2) Tehát az üregen belüli a térerősség vektornak csak az y koordinátája marad meg és az sem fog függeni a szögtől, így a tér az üregen beül valóban homogén és nagysága pedig ρ a 3 ε o vagyis a feladat állításait igazoltuk. 4

26B-9 A tér egy tartományában a volt egységekben kifejezett V potencíált a [ ] [ ] V V V = (3 )x 2 + (0, 2 )y m 2 m függvény adja meg, ahol x és y méterekben megadott távolságok. Számítsuk ki az x = 0 cm, y = 5 cm koordínátájú helyen levő elektronra ható erő nagyságát és irányát. A potenciál és a térerősség közötti kapcsolat E x = V (x, y, z), E y = x E = grad V (r) Esetünkben V (x, y, z) V (x, y) = A x 2 + B y V (x, y, z), E z = y E x = 2 A x, E y = B, E z = 0 F x = 2 e A x, F y = e B F = e Ex 2 + Ey 2 + Ez 2 = e 4 A 2 x 2 + B 2 V (x, y, z), z Az erő iránya az x tengellyel α szöget zár be, ahol tg α = B [ ] V 2 A x, B = 0, 2, [ ] [ ] m V V A = 3 és 2 A x = 0.6 Behelyettesítve a számértékeket m/2 m F x = 6 0,, 6 0 9 = 9, 6 0 20 N F = 9, 6 2 + 3, 2 2 0 20 =, 09 0 9 N tg α = 0, 2/0, 6 = 0.33 α = 8.4 o 27A-2 F y = 0, 2, 6 0 9 = 3, 2 0 20 N Becsüljük meg azt a legnagyobb potenciált, amelyre egy 0 cm átmérőjű fémgömböt fel lehet tölteni, anélkül, hogy a térerősség értéke meghaladná a környező száraz levegő dielektromos átütési szilárdságát. 5

A feltöltött R sugarú fémgömb felületén a térerősség és a potenciál pontosan akkora, mintha a teljes töltése a középpontjában lenne: E(R) = Q R 2 (2.3) Φ(R) = Q = E(R) R R (2.4) A száraz levegő dielektromos átütési szilárdsága E o = 3 0 6 V, R = 5 cm. Innen Φ(R) = cm E o R = 3 0 6 5 =, 5 0 7 V 27B-8 A 2 µf és 3 µf kapacitású kondenzátorra egyenként V max maximális feszültség adható. Ha e két kondenzátort sorba kapcsoljuk, a két végpont közötti feszültség 800 V. Mekkora V max? Bár a feladat ezt nem mondja ki világosan tételezzük fel, hogy a sorba kapcsolt kondenzátorok két végpontján levő feszültség éppen az a maximális feszültség, ami mellett még éppen egyik kondenzátor sem megy tönkre. Ez nem egyenlő 2 V max -al! Legyen C = 2µF és C 2 = 3 µf! A két kondenzátor eredő kapacitása A kondenzátorokon lévő töltés ugyanakkora: A kondenzátorokra eső feszültség Így értelemszerűen U max = 480 V. 27B-20 C e = C C 2 C + C 2 =, 2 µf (2.5) Q = C e U = C C 2 C + C 2 U = 9, 6 0 4 C (2.6) C 2 U = Q = U = 480 V C C + C 2 (2.7) U 2 = Q C = U = 320 V. C 2 C + C 2 (2.8) Egy 0, µf kapacitásu síkkondenzátor lemezei 0, 75 m 2 területűek, a szigetelő réteg dielektromos állandója 2,5. A kondenzátort 600 V -os feszültségre töltjük fel. 6

a) Számítsuk ki a lemezek töltését! b) Számítsuk ki a szigetelő réteg felületén indukált töltést! c) Számitsuk ki a szigetelő rétegben az elektromos térerősséget! Felhasználju, hogy a kondenzátor kapacitása C = Q U = ε r ε o A d a) Q = C U = 0, 0 6 600 = 6 0 5 C b) σ szabad = Q A = 6 0 5 C 0, 75 m 2 = 8 0 5 C m 2 A szigetelő A felületén indukált (polarizációs) töltés : (2.9) σ pol = σ szabad ( ε r ) ε r = 4, 8 0 4 C m 2 (2.20) c) A Gauss tétel alapján a lemezek közötti térerősség I.ZH E = Q A ε ε o = 6 0 5 0, 75 8, 854 0 2 2, 5 = 3, 64 06 V m Egy 2 L hosszú szigetelő rúdon +Q nagyságú töltés oszlik el egyenletesen. Mekkora és milyen irányú az elektromos térerősség a rúd felezőpontjától a rúdra merőleges irányban L távolságban? Válasszuk a koordinátarendszerünk origóját a rúd közepáre és legyen az x tengely rúdirányú! Az eredő térerősség kiszámításához a rudat felosztjuk dx hosszúságú szakaszokra. A lineáris töltéssűrűség λ = Q. A 2.4 ábrán használt jelölésekkel az origótól x 2 L távolságban levő dx szakasztól származó térerősség nagysága de = λ dx r 2 (2.2) Ha a térerősség vákuumban E, akkor anyagban E bent = E + E pol. De E bent = E ε r, vagyis E = E + E pol. Innen E pol = ε r E (E pol < 0). Síkkondenzátor esetén a térerősségek és az ε r ε r azokat létrehozó felületi töltéssűrűségek kapcsolata: 2ε o E = σ szabad, 2ε o E bent = σ szabad + σ pol, és 2ε o E pol = σ pol, amit behelyettesítve megkapjuk (2.20)-t. 7

2.4. ábra. Segédábra a kiszh feladatához. Ennek csak a rúdra merőleges, függőleges komponense számít, mert az origóra szimmetrikusan elhelyezkedő dx szakaszok térerősségeinek x komponensei kiejtik egymást, ennek nagysága pedig de cosα. A teljes térerősség nagysága eszerint: Innen többféle úton is haladhatunk: E = L λ cos α dx (2.22) L r2 I) Fejezzünk ki mindent az α szöggel! Ehhez az integrációs változót és az integrálás határait is módosítani kell: r = L cosα (2.23) x = L tgα (2.24) dx = dx d(l tgα) dα = = L dα dα dα cos 2 α (2.25) L tgγ = L γ = arctg(l/l) = arctg() = 45 o (2.26) E = λ L L cos α dx = λ r2 45 o cosα Ldα 45 o L 2 cos 2 α cos 2 α (2.27) 8

Innen E = λ 45 o L cosαdα (2.28) 45 o = λ L [sinα]45o = Q 2 L 2 E = 45 o ( ( )) 2 2 2 2 2 Q (2.29) L 2 Ellenőrzésként megnézhetjük a dimenziókat: [ε o ] = As V m, [Q] = As, [L2 ] = m 2, ahonnan a fenti képletre [E] = V m As As m = V 2 m adódik. II) A dx meghatározásához (2.25) helyett használjuk ki, hogy kis dα szögekre az ívhossz r dα! Nekünk azonban nem az ívhossz, hanem a dx szakasz hossza kell. A 2.5 ábra szerint r = L cosα (2.30) ds = r d α (2.3) dx = ds cos α = r d α cos α = L dα cos 2 α (2.32) Ezt behelyettesítve ugyanarra az eredményre jutunk. III) A dα szöget kényelmesebben is bevezethetjük. A (2.30) és (2.32), ill. a 2.5 ábra szerint ugyanis (2.28)-be ezt és a szög szerinti határokat behelyettesítve E = λ = λ = λ L L L 45 o 45 o 45 o amivel visszajutottunk (2.28) -ra dx cosα = r dα (2.33) (cos α dx) = λ r2 r dα = λ 45 o 45 o cosα 45 L o 45 o d α r r 2 dα 45 o cos αdα (2.34) 9

2.5. ábra. Kis szögekre az ívhossz 0