Transcript pps

Stranica: V-1
Magnetizam






N
S
Magnetsko polje, indukcija i tok.
Magnetsko polje ravnog beskonačnog vodiča protjecanog
strujom.
Sila na naboj u magnetskom polju.
Sila na vodič protjecan strujom u magnetskom polju.
Zakon protjecanja.
Biot-Savart -ov zakon.
Stranica: V-2
1. zadatak
Mlaz nabijenih čestica ubacuje se u prostor u kojem djeluje električno
polje E i magnetska polja indukcija B1 i B2 prema slici. Odredite brzinu
v1 i polaritet čestica koje udaraju u točku A. Zadano:



E = 140.7 [MV/m]
B1 = 0.5 [T]
B2 = 0.16 [T]
+
B2
B1
Q
v1
A
Početna stranica
Stranica: V-3
Uvodni pojmovi

Magnetsko polje opisuje se pomoću sljedećih osnovnih
veličina:

• Jakost magnetskog polja:
• Magnetska indukcija:

Veza jakosti magnetskog polja i indukcije:


B  0  r  H
gdje je:

H A/m

B T
0  4  107 Vs/Am
Kada se naboj giba u magnetskom polju tada na njega
djeluje magnetska sila:


 
F  Q v  B

• Q - naboj
• v - brzina gibanja naboja
Početna stranica
Stranica: V-4
Uvodni pojmovi

Smjer magnetske sile na naboj definiran je vektorskim
produktom brzine i magnetske indukcije:
F
+Q
-Q
B
v
F
v

B
Po iznosu sila ovisi o kutu između vektora v i B:

F  Q  v  B  sin
• ukoliko se naboj giba paralelno silnicama magnetskog polja,
magnetske sila na naboj je jednaka nuli (sin  = 0)
• ukoliko se naboj giba okomito na silnice magnetskog polja
tada je sila po iznosu jednaka: F = Q·v·B
Početna stranica
Stranica: V-5
Rješenje zadatka

U kondenzatoru na naboj djeluju električna i magnetska
sila. Da bi bio zadovoljen uvjet pravocrtnog gibanja te
dvije sile po iznosu moraju biti jednake:
Fmag
B1
Fel
+Q
B1
-Q
Fel v1
Fmag
v1


Fel  Fmag
Q  E  Q  B1  v1

E 140.7 106
v1  
B1
0.5
v1  281.4 106 m/s
Početna stranica
Stranica: V-6

Kada naboj prijeđe u područje gdje djeluje mag. indukcija
B2, na njega djeluje samo magnetska sila pomoću čijeg
smjera se može odrediti odrediti predznak naboja:
B2
Q
Fmag

v1
Iz smjera magnetske sile vidljivo je da se radi o
negativnom naboju.
Q0
Početna stranica
Stranica: V-7
2. zadatak
Tri vrlo duga ravna vodiča smještena u zraku prema slici protjecana su
strujama I1, I2 i I3. Odredite:
a) smjer i veličinu magnetske indukcije koju vodiči (1) i (2) stvaraju
na mjestu vodiča (3)
b) smjer i veličinu sile koja djeluje na element dužine l vodiča (3)

I1 = 100 [A]
I2 = 150 [A]
I3 = 75 [A]

l = 80 [cm]


(1)
5 cm
4 cm
(2)
3 cm
(3)
Početna stranica
Stranica: V-8
Uvodni pojmovi

Označavanje smjerova struje u vodiču:

Magnetsko polje ravnog vodiča:
H
I
2   r


B  H
Smjer polja određuje se
pravilom desne ruke:
palac - smjer struje
prsti - smjer polja
Početna stranica
Stranica: V-9
Uvodni pojmovi

Sila na vodič protjecan strujom u magnetskom polju
 

F  I  l  B   N 

Smjer sile određuje se pravilom lijeve ruke:
• silnice (B) - dlan
• struja (I, l) - prsti
• sila (F) - palac

Iznos sile:
F  B  I  l  sin N
• l je duljina vodiča u magnetskom polju!!!
• kut  je kut koji zatvaraju vektori polja (indukcije) i duljine (smjer struje)
• ukoliko je vodič okomit na silnice magnetskog polja tada je
magnetska sila po iznosu jednaka: F = B·I·l
• ukoliko je vodič paralelan silnicama magnetskog polja
magnetska sila na vodič jednaka je nuli (sin  = 0)
Početna stranica
Stranica: V-10
Rješenje zadatka

Zadatak se rješava metodom superpozicije.

Vodič (1) na mjestu vodiča (3) stvara magnetsko polje H1:
(2)
(1)
4 cm
3 cm
H1
(3)
H2
(3)

Vodič (2) na mjestu vodiča (3) stvara magnetsko polje H2.

Po iznosu mag. polja:
H1 
I1
100

 4 A/cm 
2    4 10  2 2    4 10  2
H2 
I2
150

 8 A/cm 
2
2
2    3 10
2    3 10
Početna stranica
Stranica: V-11

Ukupno polje na mjestu vodiča (3) jednako je vektorskoj
sumi magnetskih polja:
(1)
(2)
5 cm
 

H  H1  H2
H
4 cm
3 cm
H2
H1
(3)

Budući da su vektori H1 i H2 pod kutem od 90o vrijedi
sljedeće:

 2  2
H 
H1  H 2
H  42  82  9 A/cm


Kut vektora H u odnosu na vektor H1:

H2 8
sin    
9
H
  63
Magnetska indukcija:
B   0  H  4   10 7 
9
 1.13 mT 
10  2
Početna stranica
Stranica: V-12

Smjer sile na vodič (3) određuje se pravilom lijeve ruke:
(1)
(2)
B
F

(3)
Budući da su vodič i smjer vektora magnetskog polja pod
90o, sila iznosi:
F  B  I3  l  1.13103  75 80102  68mN
Početna stranica
Stranica: V-13
3. zadatak
Vrlo dugi ravni vodič i kruti metalni okvir smješteni su prema slici. Okvir
ima težinu G. Uz ostale navedene podatke odredite smjer i veličinu
struje I1 uz koju će okvir zadržati zadani položaj. Zadano:





G = 0.5 [N]
I2 = 15 [A]
a = 1 [cm]
b = 10 [cm]
c = 50 [cm]
I1
a
b
I2
c
Početna stranica
Stranica: V-14

Vrlo dugi ravni vodič protjecan strujom stvara mag. polje u
svojoj okolini. Za različite smjerove struje I1 to mag. polje
djeluje na okvir silama F1 i F2:
F1
I1
I1
B1
B1
I2
I2
F1
F2
F2

G
G
Da bi okvir ostao u istom položaju ukupan zbroj sila mora
biti jednak 0:
  
F1  F2  G  0

Budući da je F1 > F2, to se može postići samo u slučaju
kada struja I1 teče s lijeva na desno (1. slučaj).



F1  F2  G
Početna stranica
Stranica: V-15

Sile F1 i F2 određuju se kao:
I1
a
b
I2
c
F1  B1 (a )  I 2  c   0 
F2  B1 (a  b)  I 2  c  0 

I1
2   a
 I2  c
I1
 I2  c
2    a  b 
Iz uvjeta ravnoteže okvira određuje se iznos struje I1:
0 
I1 
I1
2   a
 I 2  c  0 
I1
 I2  c  G
2    a  b 
G  2    a  a  b 0.5  2   1 1  10

 3.7 kA
7
I 2  0  c  b
15 4   10  5010
Početna stranica
Stranica: V-16
4. zadatak
Odredite veličinu struje koja teče kroz vodiče koaksijalnog kabela u
suprotnim smjerovima, ako jakost magnetskog polja na udaljenosti d
od središta kabela iznosi Hd. Također odredite funkciju promjene
magnetskog polja, H(r) za 0 < r < . Zadano:





R1 = 0.5 [cm]
R2 = 2.5 [cm]
R3 = 2.6 [cm]
d = 2.55 [cm]
Hd = 78.8 [A/m]
R2
R3
I
I
R1
Početna stranica
Stranica: V-17
Rješenje zadatka

Zadatak se rješava primjenom zakona protjecanja.
 
 Hd l   I i
i
l

Mag. polje se mijenja različito u četiri slučaja:

Za r < R1, obuhvaćen je samo dio unutarnjeg vodiča:
H  2  r   I '
Gustoća struje u svakoj točki je jednaka.
I
R1
I
I'
I
2


I
'

r

R12   r 2  
R12
r2
I 2
I'
r
R1
H

I
2  r  2  r 
2    R12
G
r

Za R1 < r < R2, linijom l obuhvaćen je vodič kroz koji teče
struja I pa mag. polje iznosi:
H  2  r   I
 H
I
2  r 
Početna stranica
Stranica: V-18

Za R2 < r < R3, obuhvaćen je unutrašnji vodič i dio
vanjskog vodiča:
H  2  r   I  I ' '
R2
R3
I
Budući da su smjerovi struja suprotni
njihovi doprinosi se oduzimaju.
I
G
r
I
I ''

R32    R22   r 2    R22  
I '' I 
I
H
2  r 

r 2  R22
R32  R22

R22 
I
1  2


r
2 
2
2
R

R
2

R

R


3
2 
3
2



Za r > R3:
H  2  r   I  I
H 0
Početna stranica
Stranica: V-19

Funkcija promjene jakosti mag. polja izgleda kao na slici:
H(r)
R1

R2
R3
r
Iz zadanog mag. polja na mjestu r = d može se odrediti
struja I:
I
H d  H (r  d ) 
2  d 


R22 
I
1  2


d
2 
2
2
 R3  R2  2  R3  R2  





2
2
2
2    H d  R32  R22  d 2    78.8  2.6  2.5  2.5510
I

2
2
R3  d
2.62  2.552
I  25 A
Početna stranica
Stranica: V-20
5. zadatak
Kroz vodič u obliku L profila protječe struja I. Dimenzije vodiča su
zadane na slici. Odredite smjer i jakost magnetske indukcije u točki A.
Zadano:

I = 50 [A]
1.5 m
A
1.5 m
I
1.5 m
Početna stranica
Stranica: V-21
Uvodni pojmovi

Ravni vodič konačne duljine kroz koji protječe struja I u
svojoj okolini stvara magnetsko polje koje se može
odrediti na sljedeći način:
HT 
I
4   d
 sin 1  sin  2 
Smjer magnetskog polja definiran je pravilom desnog vijka.

Primjeri:
T
I
 sin 1  sin  2 
4π d
1 > 0  sin 1 > 0
HT 


d
 2 < 0  sin  2 < 0
I
Početna stranica
Stranica: V-22
Uvodni pojmovi
T
I
 sin 1  sin  2 
4π d
1 > 0  sin 1 > 0
HT 


d
 2 > 0  sin  2 > 0
I

Beskonačno dugi ravni vodič :

 sin 1  sin  2 
4   d
1  + 90  2   90

d
I
I
HT 
T
HT 
I
 sin 90  sin(90) 
4   d
I
I
HT 
 1  (1)  
4π d
2π d
Početna stranica
Stranica: V-23
Rješenje zadatka

Polje u točki stvaraju dva vodiča jedan dužine 3 m, a drugi
dužine 1.5 m. Ukupno polje jednako je vektorskom zbroju
pojedinih komponenti polja:



HA  HA1  HA2

Smjer polja određujemo pomoću pravila desnog vijka:
HA1
I
A
HA2
Budući da su polja istog smjera,
ukupno polje jednako je algebarskom
zbroju polja:
H A  H A1  H A2
I

Primjenom Biot-Savart-ovog zakona određuju se iznosi
polja HA1, odnosno polja HA2.
Početna stranica
Stranica: V-24

Polje HA1:
H A1 
1.5 m

1.5 m
A

H A1 
I
 sin( 45)  sin( 45) 
4   1.5
H A1
1.5 m
(1)

Polje HA2:
'
1.5 m
(2)
 2 
I
2  







4   1.5  2  2  
I
H A1 
 2
4   1.5
H A2 
A
I
 sin 1  sin  2 
4   1.5
H A2 
I
 sin  '1  sin  '2 
4   1.5
I
 sin( 45)  sin( 0) 
4   1.5
1.5 m
H A2
 2

I



 0
4   1.5  2

H A2 
I
2

4   1.5 2
Početna stranica
Stranica: V-25

Ukupno polje HA:
HA 
I
I
2
 2

4   1.5
4   1.5 2
HA 

I
3 2

4   1.5 2
Magnetska indukcija u točki A, BA:
BA  0  H A  4   107
50
3 2

4   1.5 2
BA  5 2 T

Smjer vektora mag. indukcije jednak je smjeru mag. polja.
Početna stranica
Stranica: V-26
6. zadatak
Odredite magnetski tok koji se zatvara kroz zatvorenu petlju prikazanu
na slici. Zadano:


a = 1 [cm]
I = 10 [A]
2a
a
I
2a
Početna stranica
Stranica: V-27
Uvodni pojmovi

Magnetski tok je skalarna veličina kojom se opisuje
magnetsko polje i definiran je kao:
 
  BS
 
 
   B  dS   S  dB
S

S
Primjer, tok kroz zatvorenu petlju:
 x2

   B( x)  dS   B( x)  a  dx
S
I
a
dx
x1
x1
I a
   0 
 a  dx   0 
2   x
2 
x1
x2
I
  0 
I a
x2
 ln x x1
2 
  0 
I a
x
 ln 2
2 
x1
x2
x2
dx
x
x1
Početna stranica
Stranica: V-28
Rješenje zadatka

Smjer magnetskog toka određuje se pravilom desnog
vijka:
2a
a
Palac se stavlja u smjer struje
I kroz vodič i tada prsti određuju
smjer magnetskog toka.

2a

Iznos toka:
  0 
I 2a
x
I 2a
3a
I a
 ln 2   0 
 ln
 0 
 ln 3
2 
x1
2 
a

  4   10 
7
10 102

 ln 3  44 nVs 
Početna stranica