Schriftelijk examen Fysica: Elektromagnetisme 2e Ba Chemie, Biologie, Geografie, Bio-ir en Ir-arch

Vergelijkbare documenten
Schriftelijk examen 2e Ba Biologie Fysica: elektromagnetisme

Schriftelijk examen: theorie en oefeningen Fysica: elektromagnetisme

Oefeningenexamen Fysica 2 1ste zit

Schriftelijk examen: theorie en oefeningen Fysica: elektromagnetisme

Schriftelijk examen: theorie en oefeningen Fysica: elektromagnetisme

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

Schriftelijk examen: theorie en oefeningen Fysica: elektromagnetisme

Tentamen Fysica: Elektriciteit en Magnetisme (MNW en SBI)

Schriftelijk examen 2e Ba Chemie, Geografie, Bio-ir en ir-arch Fysica: elektromagnetisme

Tentamen Fysica: Elektriciteit en Magnetisme (MNW)

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 14 april 2011 van 9u00-12u00

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 30 juni 2011 van 14u00-17u00

Langere vraag over de theorie

Hertentamen Elektromagnetisme: Theorie (NS-107B)

. Vermeld je naam op elke pagina.

Langere vraag over de theorie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde Examen Elektromagnetisme 3 (3NC30) donderdag 5 juli 2012 van 14u00-17u00

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

1 ELECTROSTATICA: Recht toe, recht aan

Tentamen Elektromagnetisme (NS-103B)

Hoofdstuk 22 De Wet van Gauss

Studiewijzer. de colleges in vogelvlucht

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

1. Langere vraag over de theorie

Elektromagnetische veldtheorie (121007) Proeftentamen

Elektro-magnetisme Q B Q A

Hoofdstuk 23 Electrische Potentiaal. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

Deeltoets II E&M & juni 2016 Velden en elektromagnetisme

Tentamen. Elektriciteit en Magnetisme 1. Woensdag 22 juni :00-12:00. Schrijf op elk vel uw naam en studentnummer. Schrijf leesbaar.

Tentamen. Elektriciteit en Magnetisme 1. Woensdag 20 juni :00-12:00. Leg je collegekaart aan de rechterkant van de tafel.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 9 januari 2008 van 9:00 12:00 uur

7 College 01/12: Electrische velden, Wet van Gauss

Dimensies, eenheden en de Maxwell vergelijkingen

FYSICA-BIOFYSICA : FORMULARIUM (oktober 2004)

Chapter 28 Bronnen van Magnetische Velden. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

Oplossing examenoefening 2 :

Langere vraag over de theorie

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

I A (papier in) 10cm 10 cm X

Tentamen Elektromagnetisme 1 (NS-103B)

Uitwerkingen toets emv

Faculteit Biomedische Technologie. 28 januari 2016, 18:00-21:00 uur

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2014 theorietoets deel 1

Faculteit Biomedische Technologie. 5 november 2015, 9:00-12:00 uur

1. Weten wat potentiaal en potentiaalverschil is 2. Weten wat capaciteit en condensator is 3. Kunnen berekenen van een vervangingscapaciteit

NATUURKUNDE KLAS 5. PROEFWERK H8 JUNI 2010 Gebruik eigen rekenmachine en BINAS toegestaan. Totaal 29 p

Vak: Elektromagnetisme ELK Docent: ir. P.den Ouden nov 2005

Extra College; Technieken, Instrumenten en Concepten

Antwoorden Tentamen Fysica van de Vaste Stof woensdag 2 maart 2011, uur

1. Langere vraag over de theorie

1. Opwekken van een sinusoïdale wisselspanning.

Fysica 2. Electriciteit & Magnetisme. Physics for Scientists and Engineers, with Modern Physics, 4 th edition Giancoli. Hoofdstukken 21 t/m 29

3.3.2 Moment op een rechthoekige winding in een magnetisch. veld... 10

NATUURKUNDE 8 29/04/2011 KLAS 5 INHAALPROEFWERK HOOFDSTUK

Mkv Magnetisme. Vraag 1 Twee lange, rechte stroomvoerende geleiders zijn opgehangen in hetzelfde verticale vlak, op een afstand d van elkaar.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 januari 2006 van 14:00 17:00 uur

Faculteit Biomedische Technologie. 9 april 2018, 18:00-21:00 uur

Langere vraag over de theorie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 21 januari 2005 van 14:00 17:00 uur

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Elektrostatica. 25 juli dr. Brenda Casteleyn

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2018 theorietoets deel 1

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

r - Tentamen Elektromagnetisme II, 18 januari 1995, 9 12 uur.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 november 2004 van 14:00 17:00 uur

(Permitiviteit van vacuüm)

Hoofdstuk 29 Electromagnetische Inductie en de wet van Faraday. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Elektrostatica. 4 november Brenda Casteleyn, PhD

1 Overzicht theorievragen

Begripsvragen: Elektrisch veld

Tentamen Quantum Mechanica 2

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2015 theorietoets deel 1

o a. onveranderd blijven o b. verdubbelen tot -360 kv. o c. stijgen tot een waarde van OV. o d. positief worden tot een waarde van 720 kv.

In deze eindtoets willen we met jullie samenvatten waar we het in het afgelopen kwartiel over gehad hebben:

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2018 TOETS 1

HOOFDSTUK 1: Fysische grondslagen van de elektrotechniek

Theory DutchBE (Belgium) De grote hadronen botsingsmachine (LHC) (10 punten)

Speciale relativiteitstheorie

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

Formules en begrippen Okt 2006

Speciale relativiteitstheorie

We willen dat de magnetische inductie in het punt K gelijk aan rul zou worden. Daartoe moet men door de draad AB een stroom sturen die gelijk is aan

Deze toets bestaat uit 3 opgaven (34 punten). Gebruik eigen grafische rekenmachine en BINAS toegestaan. Veel succes!

1. Langere vraag over de theorie

OOFDSTUK 8 9/1/2009. Deze toets bestaat uit 3 opgaven (31 punten). Gebruik eigen grafische rekenmachine en BINAS toegestaan. Veel succes!

Hoofdstuk 13 Magnetische velden. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 27 november 2003 van 09:00 12:00 uur

Tentamen E&M 13-mei-2004

B da =0, Q vrijomsloten, E = ρ vrij. , B =0, E =0, B = µ 0 J vrij. D = ρ vrij, B =0, E =0, H = J vrij. qq r 2 =( N m 2 /C 2 ) (1.

Statische elektriciteit; elektrische lading en het behoud ervan

Hoofdstuk 12 Elektrische velden. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

Opgave: Deeltjesversnellers

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME

Hoofdstuk 24 Condensatoren, Diëlektrika, Electrische Energie Opslag. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

XXX INTERNATIONALE NATUURKUNDE OLYMPIADE PADUA, ITALIË THEORIE-TOETS

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB januari 2013, uur

Inleiding Elektriciteit en Magnetisme

LES1: ELEKTRISCHE LADING DE WET VAN COULOMB. H21: Elektrische lading en elektrische velden

Transcriptie:

Schriftelijk examen Fysica: Elektromagnetisme 2e Ba Chemie, Biologie, Geografie, Bio-ir en Ir-arch 2014-2015 Naam: Studierichting: Aantal afgegeven bladen, klad en opgave niet meegerekend: 1/9

Gebruik voor elke nieuwe vraag een nieuw blad! Zet op elk blad de vermelding Fysica: Elektromagnetisme alsook je naam, je groep en het nummer en onderdeel van de vraag die je aan het oplossen bent. Je geeft je oplossingen af samen met dit blad. Je mag enkel het door ons gegeven formularium gebruiken en een eenvoudig wetenschappelijk rekenmachine. Grafische rekenmachines en rekenmachines met formulegeheugen zijn niet toegelaten. Geen GSM s, geen pennenzakken! Werk alleen en ordelijk en vergeet je eenheden niet. Lees de vragen aandachtig en begin met de vragen die je onmiddellijk kan oplossen. Veel succes! Jan Danckaert Isis Van Parijs Lars Keuninckx Lieve Lambrechts Stefan Vet 2/9

Oefeningen (20%) 1. Om te beginnen leggen we jullie enkele eenvoudigere problemen voor. Geef bondige antwoorden en vermeld expliciet op welke wet of formule je je baseert om tot een antwoord te komen. Hint: Als je lang moet rekenen voor een van deze oefeningen, dan is er iets mis... (a) De fijnstructuurconstante α is in de natuurkunde de fundamentele constante (koppelingsconstante) die de sterkte van de elektromagnetische wisselwerking bepaalt. Een mogelijke uitdrukking is: α = e2 cµ 0 2h, met h de constante van Planck, µ 0 de permeabiliteit van het vacuüm, e de elementaire lading en c de lichtsnelheid. Bepaal de dimensie van de fijnstructuurconstante α. (b) Drie ladingen zijn geplaatst zoals in figuur 1. De resulterende kracht F op lading Q heeft een grootte F = 182µN, deze maakt een hoek met de x-as van θ = 82.9. Stel nu dat je weet dat de lading Q 1.0nC is, wat zijn dan de ladingen van q 1 en q 2? q 1 2 cm 1 cm Q θ F q 2 Figuur 1: Bereken de ladingen q 1 en q 2. (c) Een elektron beweegt met een snelheid v = 1.0 10 7 m s door een uniform magnetisch veld, loodrecht op de bewegingszin, gegeven door B = (0.01T ) 1 z. Bereken de straal van de resulterende cirkelbeweging. (d) Het elektrisch en magnetisch veld van een elektromagnetische golf zijn door onderstaande uitdrukkingen gegeven. ( ) 3 E = E 0 sin(kz ωt) 2 1 x + 1 2 1 y ( B = B 0 sin(kz ωt) 1 ) 2 3 1 x + 2 1 y Wat is de voortplantingsrichting en -zin van de golf? De rest van deze vraag is niet op te lossen door de studenten uit de groep Biologie. 3/9

Druk de Poynting vector van deze elektromagnetische golf symbolisch uit. Leid hieruit ook een uitdrukking af voor de irradiantie van de golf. 4/9

(15%) 2. Een toroïdaal gewikkelde spoel, zie figuur 2, bestaat uit een geleider gewikkeld op een torus (doughnut) uit niet-geleidend materiaal. De binnenstraal is a en de buitenstraal b. (a) Bepaal het magnetisch veld B(r) binnen en buiten de torus, voor een gegeven stroom I door de wikkelingen. (b) Maak een grafiek van B(r) met aanduiding van de afstanden a, b en veldsterktes op die afstanden. Figuur 2: Een toroïdaal gewikkelde spoel. (15%) 3. De beweging van het oog kan men onderzoeken aan de hand van speciale contactlenzen waarvan de rand omgeven is door een spoel van zeer fijne draad. Wanneer een proefpersoon die deze contactlenzen draagt zich in een magnetisch veld bevindt, wordt een stroom geïnduceerd in de spoel telkens de proefpersoon zijn ogen roteert. Beschouw contactlenzen omrand door een spoel met 5 windingen en een diameter van 6.0 mm. Een uniform magnetisch veld van 1.0 T wordt aangelegd zoals in figuur 3. Bereken de spanning die geïnduceerd wordt in de spoel indien een proefpersoon die recht voor zich uit kijkt zijn ogen 5 naar rechts draait in 0.20 s. Hint: Je kan de afgeleide benaderen door het quotiënt van de differenties: df(x) dx f(x) x. Neem bovendien de tekening over en geef de zin aan van de geïnduceerde stroom met behulp van de symbolen en. Figuur 3: Proefpersoon met speciale contactlenzen kijkt recht voor zich uit (bovenaanzicht). 5/9

(20%) 4. Figuur 4 toont een sferische ladingsverdeling bestaande uit een diëlektrische bol met straal R en ladingsdichtheid ρ C/m 3, omgeven door een verwaarloosbaar dunne metalen schil met straal 2R. De ladingsdichtheid van de centrale bol wordt gegeven door: Voor de studenten Biologie: { a : r R ρ(r) = 0 : r > R Voor alle andere studenten: ρ(r) = { ar : r R 0 : r > R met a > 0 een constante. Verder is er gegeven dat de lading op de dunne metalen, Q, schil exact tegengesteld is aan de totale lading van de sfeer. (a) Bepaal de totale lading Q binnen de sfeer. Wat zijn de dimensies van a? (b) Bepaal het elektrisch veld overal in de ruimte en maak een grafiek E(r). Hoe is het veld gericht? (c) Bepaal de elektrische potentiaal V (r) overal in de ruimte. Stel hierbij V (r = ) = 0V. Q 2R ρ R r Figuur 4: Een sferische ladingsconfiguratie. 6/9

Theorievragen (10%) 5. (a) Vertrekkende van de potentiaal voor een puntlading, leid de elektrische potentiaal af opgewekt door een dipool overal in de ruimte (ladingen q en q zitten op een afstand 2a van elkaar). Maak de benadering r >>a. (b) Volgende onderdeel is niet op te lossen door de studenten biologie: Leid hieruit ook het elektrisch veld af opgewekt door die dipool (in dezelfde benadering). Opmerking: indien je de vraag 5 a) en/of b) niet kan oplossen voor een willekeurig punt in de ruimte, doe dit dan voor de punten gelegen op de as van de dipool en op het middelloodvlak (mits 40% puntenverlies). (10%) 6. (a) Vertrek vanuit de wetten van Kirchhoff en stel de differentiaalvergelijking op die het verloop van de stroom in functie van de tijd beschrijft bij het aanschakelen van een RC-kring met gelijkspanningsbron V in, zie figuur 5. Los die vergelijking op en bespreek. Maak ook een schets van het verloop van de stroom en spanning V uit in de tijd. R Vin C Vuit Figuur 5: Een weerstand-condensator netwerk. (b) Enkel voor de studenten Bio-ingenieurswetenschappen, Geografie en Chemie: Bespreek de werking van een RC-filter (d.w.z. V uit /V in in functie van de frequentie van de wisselspanning ω). Is dit een laag- of een hoogdoorlaat filter? Leg ook het verband met deel (a) van deze vraag. Opmerking: Als je deze vragen (a en/of b) niet kan oplossen voor een condensator maar wel voor een spoel (RL ipv RC-kring) mag je dat doen, mits telkens 25 % puntenverlies. (10%) 7. (a) Vertrek van de Wet van Ampère. Geef de redenering hoe Maxwell er toe kwam om een extra term toe te voegen aan de Wet van Ampère, en leid de uitdrukking voor deze term af. (b) Gebruik deze uitgebreide Wet van Ampère-Maxwell samen met de Wet van Faraday om een golfvergelijking af te leiden voor het E en het B-veld in vacuüm. Het volgende onderdeel van deze vraag is niet op te lossen door de studenten uit de groep Biologie: (c) Leid ook de differentiële vorm van de wet van Ampère-Maxwell af. Geef daarbij duidelijk de verbanden weer tussen de grootheden die in de differentiële en de integrale vorm voorkomen. 7/9

Formularium: Wet van Coulomb F2 op 1 = 1 q 1q 2 4πɛ 0 r 1 r 2 2 1 r1 r 2 q r 1 2 r Φ E = E da oppervlak A Elektrisch veld van een puntlading in de oorsprong q E( r) = 1 4πɛ 0 Elektrische flux Lading uit gegeven ruimteladingsverdeling ρ Q = volume ρ( r)dv Wet van Gauss in integraalvorm Φ E = E( r) da = Q in ɛ 0 Elektrische potentiaal van een puntlading in de oorsprong q V ( r) = 1 q 4πɛ 0 r Potentiële energie van een geladen deeltje U( r) = qv ( r) Potentiaalverschil Elektrisch veld in richting s via potentiaal V V = V f V i = f i E s = dv ds Capaciteit van twee geleiders met lading ±Q C = Q V C De wet van Biot & Savart B( r) = µ0 Id l 1 r r 4π r r 2 Stroom uit gegeven stroomdichtheid J I = J( r) da oppervlak De wet van Ampère B( r) dl = µ0 I netto Lorentzkracht op puntlading q F = q( E + v B) Magnetische kracht op stroomdragende geleider F = I(d l B) Magnetische flux E( r) d l Φ B = oppervlak A B( r) d A De wet van Faraday-Lenz emk = V = dφ B dt Vector van Poynting S = ε0 c 2 ( E B) Irrandiantie Nabla operator Irr = 1 2 ε 0cE0 2 = x1 x + y 1 y + z 1 z Oppervlakte element (cartesisch,x-y) da = dxdy Oppervlakte element (cirkel) Oppervlakte element (cilindrisch) Oppervlakte element (sferisch) Volume element (cartesisch) Volume element (cilindrisch) Volume element (sferisch) da = rdrdφ da = rdφdz da = r 2 sinθdθdφ dv = dxdydz dv = rdrdφdz dv = r 2 sinθdrdθdφ

Constanten: Name Symbol Value Unit Elementary charge e 1.60217733 10 19 C Speed of light in vacuum c 2.99792458 10 8 m/s (def) Permittivity of the vacuum ε 0 8.854187 10 12 F/m Permeability of the vacuum µ 0 4π 10 7 H/m Coulomb s law constant (4πε 0 ) 1 8.9876 10 9 Nm 2 C 2 Planck s constant h 6.6260755 10 34 Js Dirac s constant h = h/2π 1.0545727 10 34 Js Bohr magneton µ B = e h/2m e 9.2741 10 24 Am 2 Bohr radius a 0 0.52918 Å Rydberg s constant Ry 13.595 ev Reduced mass of the H-atom µ H 9.1045755 10 31 kg Stefan-Boltzmann s constant σ 5.67032 10 8 Wm 2 K 4 Wien s constant k W 2.8978 10 3 mk Molar gasconstant R 8.31441 J mol 1 K 1 Avogadro s constant N A 6.0221367 10 23 mol 1 Boltzmann s constant k = R/N A 1.380658 10 23 J/K Electron mass m e 9.1093897 10 31 kg Proton mass m p 1.6726231 10 27 kg Neutron mass m n 1.674954 10 27 kg Elementary mass unit m u = 1 12 m(12 6C) 1.6605656 10 27 kg Diameter of the Sun D 1392 10 6 m Mass of the Sun M 1.989 10 30 kg Radius of Earth R A 6.378 10 6 m Mass of Earth M A 5.976 10 24 kg Gravitational constant G 6.67259 10 11 m 3 kg 1 s 2 Free-fall acceleration on earth g 9.80 m s 2