ELEC-A4130 - Sähkö ja magnetismi, 01.03.2021-21.05.2021

Topic outline

• Kurssin etusivu
  Tervetuloa Sähkö ja magnetismi -kurssille!

  
  

  Kurssi alkaa IV periodissa ja on näillä näkymin kokonaan etänä.

  • 

    Kurssin toteutus Page

    View

    Täältä löydät tietoa kurssin käytännöistä ja suorituksesta.
    

  • 

    Ohjeita eri aktiviteetteihin Page

    Not available unless: You are a(n) Student

    Täältä löydät ohjeet kaikkien aktiviteettien tekemiseen. 

  • 

    Laskuharjoitusryhmän valinta Group choice

    Ilmoittaudu etälaskuharjoitusryhmään tämän ryhmävalinnan kautta. Klikkaa "Näytä kuvaukset" ennen valintaa jotta varmasti valitset oikean ryhmän. Ilmoittautuminen on auki 1.3. klo 9.00 – 3.3. klo 16.00.

    Älä valitse ryhmää, jos et halua osallistua etälaskareihin!

    (Jos vahingossa valitsit väärän ryhmän, tai myöhemmin tulee suuri tarve vaihtaa ryhmää lähetä sähköposti Pinjalle: pinja.leppanen at aalto.fi)

  • 

    Uutisia ja ajankohtaisia asioita Forum

    Kurssin virallinen tiedotuskanava. Tämä näkyy kaikille kirjautuneille käyttäjille.

  • 

    Kysymyksiä ja vastauksia kurssijärjestelyistä Forum

    Tällä palstalla voit kysyä kurssijärjestelyistä ja muista yleisistä asioista. Keskustelupalstan sisältö näkyy pelkästään kurssin osallistujille. (Jos et halua kopioita sähköpostiin, voit lopettaa tilauksen.)

• Esseet
  Kurssilla palautetaan 5 kirjoitelmaa eli esseetä seuraavalla aikataululla:

  Pvm	Viikko	Aihepiiri
  ke 17.3.	luentoviikko 3	Luentoviikot 1–2
  ke 31.3.	luentoviikko 5	Luentoviikot 3–4
  ke 21.4.	luentoviikko 7	Luentoviikot 5–6
  ke 12.5.	luentoviikko 9	Luentoviikot 7–8
  ke 26.5.	rästiviikko	Luentoviikot 9–10

  Jokaisen palautuksen deadline on klo 18.00.

  Ohjeet

  Jokaisella esseellä on otsikko ja muutama apukysymys johon haetaan vastausta. Tuotos pitää nimenomaan olla essee, eli juoksevaa tekstiä ilman kuvia, kaavoja tai matemaattisia symboleita. Kirjoita yksi essee annetulla otsikolla eikä kolme erillistä vastausta. Älä kopioi apukysymyksiä esseeseen.

  Kurssimateriaalia (oppikirja ja luentokalvot) saa ja kannattaa käyttää lähteenä. Jos tämän lisäksi käytät muita lähteitä, mainitse nämä ulkopuoliset lähteet jollakin järkevällä tavalla.

  Kirjoita essee suomeksi tai ruotsiksi jollakin tekstinkäsittelyohjelmalla. Ohjeellinen pituus on yksi sivu. Palauta essee yhtenä tiedostona (PDF ja MS Word kelpaa ainakin).

  Huom: Jos kirjoitat esseen englanniksi, voit saada pisteitä asiasisällöstä muttei tekstin ja terminologian laadusta (yhteensä siis 6/8 pistettä).

  Tässä kirjoitustyössä yhteistyö on kiellettyä. Jokainen kirjoittaa oman esseensä omin sanoin. Palautuksessa käytetään Turnitin-palautuslaatikkoa, jossa on automaattinen alkuperäisyyden tarkistus. Näet itsekin (mahdollisesti viiveellä) alkuperäisyysraportin ja voit ennen määräaikaa tarvittaessa palauttaa uuden version esseestäsi. Lopullinen versio esseestä tallennetaan Turnitin-tietokantaan.

• 1. Sähkövaraus ja sähkökenttä
  (1.–5.3.)

  Luennolla esitellään lyhyesti kurssin toteutus ja sisältö. Tarkempi kuvaus löytyy Kurssin toteutus -sivulla.

  Viikon keskeisimmät asiat ovat sähkövarauksen luonne, sähkövarauksien väliset voimat ja miten sähköinen voima liittyy sähkökenttään. Muita tärkeitä käsitteitä ovat varausten säilymislaki, johde ja eriste, sähköstaattinen induktio, sähkökentän kenttäviivat sekä sähködipoli.

  Keskeiset laskutehtävät ovat Coulombin lain soveltaminen ja varausjoukon/-jakauman kentän laskeminen (pistevarauksen kenttä sekä superpositioperiaate).

• 2. Gaussin laki
  (8.–12.3.)

  Viikon ydinaines on sähkökentän vuo ja Gaussin laki sekä Gaussin lain soveltaminen.

  Gaussin lain avulla on mahdollista ratkaista sähkökenttä joissakin riittävän symmetrisissa tapauksissa. Lisäksi Gaussin lain avulla voidaan päätellä, että nettovaraus jakautuu johteen pinnalle. Yksi olennainen asia on oppia tunnistamaan milloin sähkökenttä on laskettavissa Gaussin lain avulla ja milloin sähkökenttä täytyy laskea pistevarausten summana tai integraalina.

• 3. Sähköpotentiaali
  (15.–19.3.)

  Viikon ydinaines on sähköpotentiaali ja miten se liittyy potentiaalienergiaan ja sähkökenttään. Potentiaalin voi laskea annetulle varausjakaumalle (tai esim. pistevarausjoukolle) tai annetulle kentälle. Toisaalta kenttä on potentiaalin negatiivinen gradientti.

• 4. Kapasitanssi, resistanssi ja smv
  (22.–26.3.)

  Luvussa 24 keskeiset käsitteet ovat kondensaattori, kapasitanssi ja kondensaattoriin varastoitunut energia sekä eristeet, eristevakio, permittiivisyys ja läpilyöntikestävyys. Ideaalinen levykondensaattori (eristeen kanssa) on yksinkertainen mutta varsin käyttökelpoinen malli jota käytetään monessa esimerkissä. Gaussin laki pätee edelleen, mutta sen soveltamisessa kannattaa erottaa vapaa ja sidottu varaus, josta sidottu varaus mallinnetaan eristevakion avulla.

  Luvussa 25 keskeiset käsitteet ovat virta, resistanssi ja virtapiiri sekä sähkömotorinen voima. Ohmin laki piirisuureille lienee tuttu ja tässä se määritellään myös sähkökentälle, virrantiheydelle ja resistiivisyydelle. Yksinkertaisen vastuksen resistanssi voidaan laskea resistiivisyyden ja geometrian avulla (vertaa sylinterivastus ja levykondensaattori). Sähkömotorinen voima (smv) lienee viikon käsitteellisesti hankalin asia. Oikeassa smv:n lähteessä on aina sisäinen resistanssi joka pienentää napajännitettä, kun virta kulkee lähteen läpi. [Sisäisen resistanssin olemuksesta löytyy lisätietoja esim erään tunnetun paristovalmistajan dokumentaatiosta.]

• 5. Magneettikenttä ja magneettiset voimat
  (29.3.–1.4.)

  Pitkäperjantaina 2.4. ei ole laskareita. Laskutehtävät kannattaa siis tehdä ja palauttaa torstaina, mutta deadline on poikkeuksellisesti su 4.4. klo 19.00. 

  Liikkuva sähkövaraus (ja virta) synnyttää magneettikentän ja toisaalta magneettikentässä liikkuvaan varaukseen ja virtaan kohdistuu magneettinen voima. Tällä viikolla tutustutaan magneettikenttään ja magneettiseen voimaan, kun ulkoinen magneettikenttä on annettu.

  Viikon ydinasiat ovat magneettikenttä (käsitteenä) ja magneettinen voima joka kohdistuu liikkuvaan varaukseen tai virtajohtoon. Lisäksi tutustutaan magneettidipoliin, Hallin ilmiöön ja muutamiin sovelluksiin.

• 6. Magneettikentän lähteet
  (6.–9.4.)

  Viikon ydinasia on liikkuvan varauksen ja erityisesti virran aiheuttama magneettikenttä. Magneettikentän laskemiseen on tarjolla yleispätevä Biot–Savartin laki ja sopivan symmetrisessä tapauksessa helpompi lävistyslaki eli [integraalimuotoinen] Ampèren laki. Suoran virtalangan magneettikentän suuruus ja suunta kannattaa muistaa.
  

  Magnetoitumiseen liittyvät käsitteet diamagneettinen, paramagneettinen ja ferromagneettinen aine käsitellään myös, mutta Bohrin magnetoni jää pois.

• 7. Sähkömagneettinen induktio ja induktanssi
  (19.–23.4)

  Viikon ydinasia on sähkömagneettinen induktio: muuttuva magneettivuo indusoi Faradayn lain mukaan sähkömotorisen voiman (smv), joka puolestaan voi synnyttää virran. Indusoituneen smv:n ja virran suunnan voi myös päätellä Lenzin lain avulla. Kun virtapiirin osa liikkuu, tilannetta on usein hyödyllistä käsitellä liike-smv:n avulla.

  Viikon muita keskeisiä käsitteitä ovat pyörrevirrat, siirrosvirta ja induktanssi sekä sovellusten kannalta tärkeät kelat ja muuntajat.

  Siirrosvirralla täydennettyä Ampèren lakia tarvitaan seuraavalla viikolla.

  
  

• 8. Sähkömagneettiset aallot
  (3.–7.5.)

  Luentoviikon ydinaineena on sähkömagneettiset tasoaallot. Tasoaaltoratkaisu johdetaan aluksi askeltasoaallon avulla, mutta sinimuotoinen tasoaalto on paljon hyödyllisempi malli esim. radioaalloille tai valolle. Tasoaaltojen perusominaisuudet (mm. etenemisnopeus ja vektorisuunnat) ja sinimuotoiseen tasoaaltoon liittyvät käsitteet (aallonpituus, taajuus, aaltoluku jne.) on syytä osata tämä viikon jälkeen.

  Luennot pohjautuvat Young & Freedmanin kirjan lukuun 32.

• 9. Valon luonne ja eteneminen
  (10.–14.5.)

  Tällä viikolla tutustutaan valon luonteeseen ja etenemiseen (käsittely pätee sopivin oletuksin sähkömagneettisille aalloille yleensä). Valosäteen tai tasoaallon käyttäytyminen kahden aineen tasorajapinnassa (heijastuminen ja taittuminen) on viikon keskeisin aihe, joka luo pohjan geometrisen optiikan teorialle. Dispersio ja polarisaatio ovat myös tärkeitä käsitteitä.

  Miksi taivas ei ole violetti? Katso explain xkcd / 1145: Sky Color ja siellä erityisesti neljännen kappaleen kaksi jälkimmäistä linkkiä.

• 10. Interferenssi ja diffraktio
  (17.–21.5.)

  Tällä viikolla käsitellään ns. fysikaalista optiikkaa jossa valon aaltoluonne on keskeisessä roolissa. Viikon molemmat ydinaiheet interferenssi (YF 35) ja diffraktio (YF 36) liittyvät kahden tai useamman koherentin aallon yhteisvaikutukseen. Molemmissa tapauksissa aaltojen matkaerosta syntyvä vaihe-ero on keskeinen asia ilmiöiden ymmärtämiseen. Heijastuksissa voi lisäksi syntyä suhteellinen puolenaallon vaihesiirto.

• Rästitehtävät
  (24.–28.5.)

  Jäikö jonkin viikon tehtävät tekemättä? Näillä rästitehtävillä voit korvata yhden viikon luento-, STACK- ja laskuharjoitustehtäviä sekä yhden viikkopalautteen.

  Teknisesti tämän rästitehtävien pisteet ovat lisäpisteitä jolla voit korottaa kunkin kategorian pistekertymää muttei kuitenkaan yli kyseisen kategorian maksimia.

  Kaikkien rästitehtävien deadline on perjantaina 28.5. klo 19.00.