כדי לגשת למבחני סימולציה ועוד המון שאלות נוספות, פתחו גישה מלאה
תתי-נושאים של גלים אלקטרומגנטיים
רמת קושי:
נתון התקן אלקטרו-מגנטי המתואר ע"י חתך במישור xz. ההתקן אינסופי ואחיד בציר y (ניתן להניח אורך סופי W המקיים d,L≪W), חצי-אינסופי בכיוון z החיובי ובעל אורך L בכיוון z השלילי. הדפנות במישורים x=0 ו-x=d עשויות מוליך מושלם, ובמישור z=−L סוגר את ההתקן לוח מוליך מושלם. התווך בפנים ריק. במישור z=0 מקור מתח משתנה בזמן מאלץ הפרש מתחים בין הלוח העליון והתחתון, מפולג באחידות ב-y: V(t)=V0cos(ωt). נמצא כי השדה החשמלי אינו תלוי ב-x.
סעיף א (7 נק'): רשמו את תנאי המעבר ותנאי השפה עבור פאזור השדה החשמלי בכל אחד מחלקי ההתקן (z>0 ו-z<0) ובמישור המקור z=0.
סעיף ב (7 נק'): חשבו את פאזור השדה החשמלי (כולל הקבועים) בכל חלק.
סעיף ג (8 נק'): חשבו את וקטור פוינטינג הקומפלקסי בכל חלק. מהו ההבדל העקרוני בין שני החלקים וכיצד הוא בא לידי ביטוי בוקטור פוינטינג?
סעיף ד (7 נק'): הראו את קיום משפט פוינטינג הקומפלקסי עבור צד שמאל (z<0).
סעיף ה (7 נק'): מהו אימפדנס הכניסה במישור z=0 עבור ההתקן המלא?
סעיף ו (7 נק'): ממלאים את הצד הימני (z≥0) בחומר פרואלקטרי בעל צפיפות קיטוב P=P0x^ (P0 קבוע). חשבו את השדה החשמלי הכולל בצד הימני.
סעיף ז (7 נק'): כמו סעיף ו, אך כעת P=P0dxx^. שימו לב שבשל התלות ב-x ההנחה על אי-תלות השדה ב-x אינה תקפה בהכרח. חשבו את השדה החשמלי הכולל בצד הימני. רמז: ניתן להתחיל מחוק גאוס הדיפרנציאלי.
נתון התקן אלקטרו-מגנטי המתואר ע"י חתך במישור xz. ההתקן אינסופי ואחיד בציר y וחצי-אינסופי בציר z. הדפנות במישורים x=0 ו-x=d עשויות מוליך מושלם. התווך בתוך ההתקן מאופיין במקדמים יחסיים εr,μr. במישור z=0 מאולצת צפיפות זרם משטחית מפולגת באחידות ב-y: Js(t)=K0cos(ωt)x^. עובי ההתקן d מקיים d≪λ. התווך מעל ומתחת (x<0, x>d) הוא ריק והשדות בו אפס.
עבור סעיפים א,ב בלבד נתון שפאזור השדה החשמלי בתוך ההתקן הוא E=E1e−jk⋅r+E2ejk⋅r, כאשר E1,E2 וקטורים קבועים ו-∣E1∣2+∣E2∣2=E0 (E0 נתון).
סעיף א (7 נק'): בעזרת תנאי השפה, קבעו את E1, E2 ואת וקטור הגל k.
סעיף ב (7 נק'): רשמו את פאזור השדה המגנטי בתוך ההתקן.
כעת סוגרים את ההתקן מצידו הימני בתווך חצי-אינסופי עם μr→∞. הסעיפים הבאים מתייחסים לתחום 0<x<d, 0<z<L.
סעיף ג (7 נק'): רשמו את תנאי השפה שהפאזורים מקיימים בהתקן.
סעיף ד (7 נק'): חשבו את הפאזורים של השדות בהתקן.
סעיף ה (7 נק'): הראו את קיום משפט פוינטינג הקומפלקסי בהתקן.
סעיף ו (7 נק'): חשבו את אימפדנס הכניסה להתקן.
סעיף ז (8 נק'): כעת נתון שלחומר יש גם מוליכות σ. כיצד תשתנה התשובה לסעיף ד? הדרכה: הסבר מילולי וחישוב קצר.
גל אלקטרומגנטי מישורי, עם שדה חשמלי בעל קיטוב לינארי בציר y, מתקדם במרחב המאופיין ע"י ε0εr,μ0 בכיוון ציר z, עם אמפליטודה E0 ותדר ω. (c — מהירות האור בריק.)
א. רשמו ביטוי פאזורי עבור השדה החשמלי והמגנטי.
ב. חשבו את וקטור פוינטינג הקומפלקסי.
כעת נתון כי במרחב חצי-אינסופי z>0 נמצא מוליך מושלם, ובמרחב חצי-אינסופי z<0 מאופיין ע"י ε0εr,μ0. הגל המקורי פוגע במוליך המושלם ונוסף גל חוזר, כך שהשדה הכולל הוא E(z<0)=Ei+Er.
ג. רשמו את תנאי השפה על מישור z=0.
ד. רשמו מפורשות את פאזור השדה החשמלי הכולל עבור z<0.
ה. מצאו את הנקודות בהן פאזור השדה מתאפס זהותית, ובטאו את ההפרש בין נקודות סמוכות בעזרת אורך הגל λ.
ו. רשמו את וקטור פוינטינג הקומפלקסי עבור z<0. האם יש העברת הספק בכיוון מסוים?
כעת כל המרחב מאופיין ע"י ε0,μ0 ומוליכות סופית σ, כך שניתן להגדיר מקדם דיאלקטרי יחסי אפקטיבי εr,eff=1−jωε0σ. נתון גל עם E(z=0)=E0y^ המתקדם בכיוון z.
ז. רשמו ביטוי פאזורי עבור השדה החשמלי והמגנטי עבור z>0.
ח. רשמו את וקטור פוינטינג הקומפלקסי עבור z>0 והסבירו את מקור ההבדל מסעיף ב, בפרט עבור z→∞.
נתון התקן בצורת תיבה הבנוי משני מקורות זרם הנמצאים במישורים z=±d, היוצרים זרם משטחי קבוע ±J0y^ לאורך כל אחד מהמישורים. הנחות: ההתקן אינסופי ביחס לצירים x ו-y; השדה החשמלי מתאפס על מישור z=0; השדה המגנטי קבוע בהתקן ומתאפס מחוצה לו.
א. מתוך הסימטריות בבעיה, מצאו את כיוון השדה המגנטי בתוך ההתקן.
ב. מצאו את השדות הא"מ בהתקן.
מעתה מקור הזרם תלוי בזמן, כך שצפיפויות הזרם המשטחי מקיימות Js(z=±d)=±J0cos(ωt)y^.
ג. מהו התנאי למשטר קווזי-סטטי על התדר ω? איזה סוג משטר זה יהיה?
ד. מה יהיה כיוון השדה החשמלי כעת, ובאיזו קואורדינטה יהיה תלוי?
ה. מצאו את השדות הא"מ הדומיננטיים בהתקן לפי סוג המשטר שבחרתם (לכל שדה — הסדר הראשון בפיתוח השונה מאפס).
ו. מצאו את הממוצע בזמן של צפיפות האנרגיה החשמלית והמגנטית בהתקן, והסבירו דרכם מדוע המשטר הקווזי-סטטי מוצדק.
ז. מצאו את וקטור פוינטינג הקומפלקסי והראו את קיום משפט פוינטינג הדיפרנציאלי הקומפלקסי בתוך ההתקן.
כעת מכניסים פיסת חומר דיאמגנטי בעלת μr,ϵ0 לתוך ההתקן, עד נקודה y0. אורך ההתקן בציר y הוא L, וניתן להניח L גדול בהרבה מכל אורך אחר בבעיה.
ח. מצאו את הביטוי בזמן לשדה המגנטי בכל נקודה בהתקן.
ט. מצאו את סך האנרגיה המגנטית ליחידת אורך בציר x^ בהתקן, כתלות ב-y0 ובזמן.
העתק שאלה
שתף שאלה
סמן כחשוב
סמן כבוצע
הטכניוןמועד א · 2019 · סמסטר ב
★★★★★
חוק אמפרשדה מגנטיקוואזי-סטטיקהאנרגיה מגנטיתוקטור פוינטינגתנאי שפהחומרים מגנטיים
נתונים שני תווכים בעלי ממשק במישור z=0: התחום z>0 מאופיין ע"י מוליכות σ ופרמיטיביות יחסית ϵr (ממשיים וחיוביים), והתחום z<0 מאופיין כמו ריק.
1. רשמו את משוואות מקסוול בתחום z>0. השאירו בביטויים הסופיים רק את השדות E,H ואת הגדלים המאפיינים של החומר.
2. פתחו את משוואת הגלים לשדה החשמלי בתחום z>0 (השתמשו ב-∇×∇×A=∇(∇⋅A)−∇2A).
כעת נתון גל מישורי בתדר ω ואמפליטודה E0, המתקדם מ-z=−∞ לכיוון z^ ומתואר ע"י הפאזור E0=E0y^e−jcωz. הגל פוגע במשטח z=0 ויוצר גל חוזר וגל עובר, שהביטויים הכלליים עבורם הם:
Er=Ery^ejcωz,Et=Ety^e−jcωϵr−ωϵ0jσz
3. מהם השדות המגנטיים במרחב? ניתן לבטא בעזרת Er,Et מבלי למוצאם מפורשות.
4. רשמו במפורש את תנאי הקפיצה לשדות החשמליים והמגנטיים במישור z=0.
5. מהו מקדם ההחזרה לאמפליטודה r=Er/E0 כפונקציה של ω,ϵ0,ϵr,σ בלבד?
6. אילו שינויים יש לבצע ל-σ ול-ϵr כדי למקסם את ∣r∣?
מעתה נתון ϵr≫ωϵ0σ, ואמפליטודת השדה העובר Et נתונה.
7. כתבו ביטוי מפורש בזמן ובמקום לשדה החשמלי העובר Et(r,t) (השתמשו בקירוב (1+x)n≅1+nx עבור ∣x∣≪1).
8. חשבו את וקטור פוינטינג בתחום z>0 והסבירו את משמעות החלק הממשי והמדומה.
תווך אינסופי בכיווני y^ ו-z^ בעל מקדם דיאלקטרי ϵr=10 ומקדם פרמאבילי μr=3, תחום במישורים x=0 ו-x=d ע"י לוחות בעלי מוליכות אינסופית. גל מישורי בתדר f=10GHz וצפיפות הספק p=2W/m2 (מתקיים רק בין הלוחות) מתקדם במבנה בכיוון z^.
א. כתבו במפורש את וקטור הגל ואת וקטור פוינטינג. מהי מהירות הפאזה?
ב. אילו קיטובים יכול הגל לשאת (קווי, מעגלי, אליפטי)?
ג. כתבו את פאזורי השדה החשמלי והמגנטי לכל מקרה של תשובה לסעיף ב.
ד. האם הגל המתקדם ישרה זרם על הלוחות? אם כן — מהו כיוון הזרימה ומהו פאזור הזרם על כל אחד מהלוחות? אם לא — הסבירו.
ה. האם ניתן למדוד מתח (הפרש פוטנציאלים) בין שני הלוחות במישור z=0? אם כן — מהו פאזור המתח. אם לא — הסבירו.
ו. הראו במפורש את קיום משפט פוינטינג הדיפרנציאלי המרוכב בהתקן.
ז. סובבו את כיוון התקדמות הגל לכיוון 2y^−z^. כתבו במקרה זה את תשובותיכם לסעיפים א–ה.
העתק שאלה
שתף שאלה
סמן כחשוב
סמן כבוצע
הטכניוןמועד ב · 2018 · סמסטר ב
★★★★★
גלים מישורייםוקטור פוינטינגקיטוב גליםאימפדנס גלמוליכיםהתפשטות גליםתנאי שפה
התקן מורכב משני גלילים קונצנטריים ברדיוסים R1;R2 ואורכם d. בתחום r<R1 חומר בעל מוליכות σ1, בתחום R1<r<R2 חומר מבודד (μ0,ϵ0), ובבסיסי הגלילים (z=0,d) המוליכות אינסופית. דרך שפת הגליל החיצוני מזינים זרם משטחי
K(t)=K1cos(ωt)z^+K2cos(2ωt)z^.
נתון d≪R2, σ1→∞. הניחו סימטריה אזימוטלית, שדות אפס מחוץ להתקן, שדה מגנטי אזימוטלי בלבד, שדה חשמלי בכיוון z^ בלבד, והזנחת אפקטי קצוות.
1. באילו תנאים מתקיים בהתקן משטר קווזי-סטטי?
2. בהנחה שהתנאים בסעיף 1 מתקיימים, באיזה משטר קווזי-סטטי נמצא ההתקן? הסבירו.
3. חשבו את השדות החשמלי והמגנטי בהתקן (עם תלות זמנית).
4. מהו הערך הממוצע בזמן של וקטור פוינטינג?
5. מהי צפיפות המטען המשטחית על פני כל אחת מהפלטות לכל זמן t?
6. מהי צפיפות הזרם המשטחית על פני בסיסי הגלילים לכל זמן t?
בשני הסעיפים הבאים נתון K2=0.
7. מהו אימפדנס הכניסה שרואה מקור הזרם כפונקציה של התדר, ומהו המעגל המקובץ המתאים?
8. כעת σ1 סופי. מהם התנאים על σ1 כדי שהמשטר מסעיף 2 עדיין יתקיים?
התקן: שני לוחות מוליכים מושלמים ברדיוס R2 (עובי אינפיניטסימלי), וגליל מרכזי ברדיוס R1 מחומר דיאלקטרי — בחציו העליון ϵ1=ϵr1ϵ0 ומוליכות σ1, בחציו התחתון ϵ2=ϵr2ϵ0 ומוליכות σ2 (ϵri>1). מקור זרם מזרים I0cos(ωt) אחיד לאורך שפת הלוחות. d≪R1,2; השדות מחוץ אפס; מזניחים אפקטי קצוות.
א. מהו התנאי על ω כדי שהמשטר יהיה קווזי-סטטי?
עבור סעיפים ב-ג נתון σ1,σ2≪ωϵ:
ב. מהו משטר העבודה? מהם כיווני השדה הדומיננטי והמשני (r<R1)?
ג. האם חוק קירכהוף למתחים מתקיים? והזרמים?
עבור סעיפים ד-ז נתון μωσi≪R221 (ו-σ1,σ2≫ωϵ):
ד. מהו משטר העבודה ומהו השדה הדומיננטי (r<R1)?
ה. האם חוקי קירכהוף (מתחים וזרמים) מתקיימים?
ו. מצאו את וקטור פוינטינג הקומפלקסי (r<R1) והסבירו את הרכבו.
ז. מצאו את אימפדנס הכניסה ושרטטו מעגל מקובץ שקול (עם ערכי הרכיבים).
ח. עבור סעיף זה בלבד σ2=2σ1(1−dz) וצפיפות הזרם קבועה. האם יש הצטברות מטען בנפח הגליל? אם כן חשבו.
ט. עבור סעיף זה בלבד מגדילים את σ1,2 כך ש-σ1,2>μωR221. איך ייראה מעגל התמורה המקובץ?
התקן בנוי משתי אלקטרודות שטוחות (מוליך מושלם) בזווית α ביניהן, המתחילות ברדיוס R1 ומסתיימות ברדיוס R2, בעומק d (R2≫d בכיוון z^). החלל בין האלקטרודות מלא בחומר בעל מקדם דיאלקטרי ϵ ומוליכות σ; אין מטען חופשי. על האלקטרודה העליונה (φ=α) מאולץ פוטנציאל V0 והתחתונה (φ=0) מוארקת. השדות מחוץ להתקן אפס; מזניחים אפקטי קצוות.
א. מהו הפוטנציאל החשמלי הסקלרי בחלל שבין האלקטרודות?
ב. מה השדה החשמלי בהתקן?
ג. מה המטען המשטחי על האלקטרודה העליונה (φ=α)?
ד. מה הקיבול C של ההתקן?
עבור הסעיפים הבאים מקור המתח הרמוני, ϕ(φ=α)=V0cos(ωt), ובנוסף σ≫ωϵ.
ה. מהם התנאים לכך שההתקן יהיה במשטר קווזי-סטטי? מהו סוג המשטר?
ו. הניחו H(r=R1)=0. מה השדה המגנטי בהתקן?
ז. מה התיקון הראשון לשדה מסדר אפס בהתקן? הראו כי התיקון קטן משמעותית מהשדה מסדר אפס.
ח. הוכיחו את נכונות קביעת סוג המשטר הקווזי-סטטי (ניתן להניח R1,R2 מאותו סדר גודל).
ט. מהו וקטור פוינטינג בהתקן, ומהו התנאי על מימדי ההתקן כך שהערך המקסימלי של וקטור פוינטינג יתקבל בתוך ההתקן ולא על אחת משפותיו? (לשימושכם: ∫drrlnr=41r2(2lnr−1).)
שאלות וקטור פוינטינג בשדות אלקטרומגנטיים עם פתרונות
שאלות תרגול בשדות אלקטרומגנטיים בנושא וקטור פוינטינג ממבחנים של הטכניון. השאלות ממוינות לפי רמת קושי, עם פתרונות לבדיקה עצמית - כך שניתן ללמוד מטעויות ולהבין את דרך הפתרון לפני הבחינה. ניתן לאתר שאלות חוזרות ולהריץ מבחני סימולציה ממוקדים בנושא וקטור פוינטינג.