Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

7.6 LCR circuits

147

 

 

7.6 LCR circuits

LCR definitions

Current

I =

dQ

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.139)

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ohm’s law

V = IR

 

 

 

 

 

 

 

(7.140)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ohm’s law (field

J = σE

 

 

 

 

 

 

 

(7.141)

form)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resistivity

ρ =

1

 

=

RA

(7.142)

σ

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capacitance

C =

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.143)

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Current through

I = C

dV

 

 

 

 

(7.144)

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Self-inductance

L =

Φ

 

 

 

 

 

 

 

(7.145)

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Voltage across

V = −L

dI

(7.146)

inductor

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mutual

L12 =

 

Φ1

= L21

(7.147)

inductance

 

 

I2

 

 

 

 

|

L12

|

= k

 

 

 

 

 

(7.148)

Coe cient of

 

 

 

 

L1L2

coupling

 

 

 

(

 

 

 

 

Linked magnetic

Φ =

 

 

 

 

 

 

 

(7.149)

flux through a coil

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Icurrent

Qcharge

Rresistance

Vpotential di erence over R

Icurrent through R

Jcurrent density

Eelectric field

σconductivity

ρresistivity

Aarea of face (I is normal to face)

llength

Ccapacitance

Vpotential di erence across C

Icurrent through C

ttime

Φtotal linked flux

Icurrent through inductor

Vpotential di erence over L

Φ1

total flux from loop 2

 

linked by loop 1

L12

mutual inductance

I2

current through loop 2

kcoupling coe cient

between L1 and L2 (≤ 1)

Φlinked flux

Nnumber of turns around φ

φflux through area of turns

 

 

 

l

A

 

7

148

Electromagnetism

 

 

Resonant LCR circuits

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

resonant

Phase

 

 

 

 

1/LC

 

 

 

(series)

 

 

angular

2

 

 

 

 

 

 

 

frequency

resonant

ω0 = "1/LC

R2

/L2

(parallel)

 

L

inductance

frequencya

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.150)

C

capacitance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

resistance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δω

half-power

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tuningb

 

δω

=

=

 

R

 

 

 

 

(7.151)

 

bandwidth

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

Q

 

ω0L

 

 

 

 

Q

quality

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

factor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quality

Q = 2π

 

 

stored energy

(7.152)

 

 

factor

 

 

 

 

energy lost per cycle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aAt which the impedance is purely real.

bAssuming the capacitor is purely reactive. If L and R are parallel, then 1/Q = ω0L/R.

series

RL C

parallel

Energy in capacitors, inductors, and resistors

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

stored energy

Energy stored in a

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1 Q2

 

C

capacitance

capacitor

U =

 

 

CV

2 =

 

 

QV =

 

 

 

 

 

(7.153)

Q

charge

2

 

 

2 C

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

potential di erence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

inductance

Energy stored in an

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

1 Φ2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

U =

 

 

LI

=

 

 

ΦI =

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.154)

Φ

linked magnetic flux

inductor

 

2

 

2

2

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

current

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Power dissipated in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V 2

 

 

W

power dissipated

a resistora (Joule’s

W = IV = I

2

 

 

 

 

(7.155)

 

R = R

R

resistance

law)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ

relaxation time

 

 

0 r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Relaxation time

τ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.156)

r

relative permittivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

conductivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThis is d.c., or instantaneous a.c., power.

Electrical impedance

Impedances in series

Z tot =

n

Z n

−1

(7.157)

Impedances in parallel

Z tot = n

Z n−1

(7.158)

Impedance of capacitance

 

 

i

 

 

 

 

 

Z C = − ωC

 

 

(7.159)

 

 

 

Impedance of inductance

Z L = iωL

 

 

 

 

(7.160)

 

 

 

 

Impedance: Z

Capacitance: C

 

 

Inductance: L

Resistance: R = Re[Z ]

 

Conductance: G = 1/R

Reactance: X = Im[Z ]

 

Admittance: Y = 1/Z

Susceptance: S = 1/X

 

7.6 LCR circuits

149

 

 

Kirchho ’s laws

 

 

 

Ii

currents impinging

Current law

Ii = 0

(7.161)

 

on node

 

node

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vi

potential di erences

Voltage law

Vi = 0

(7.162)

 

around loop

 

loop

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Transformersa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

turns ratio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1

number of primary turns

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I2

 

 

 

N2

number of secondary turns

 

 

 

 

 

Z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

primary voltage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V2

secondary voltage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

 

 

 

V2

Z 2

 

I1

primary current

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I2

secondary current

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z out

output impedance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

N1

N2

 

 

 

Z in

input impedance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z 1

source impedance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z 2

load impedance

 

 

 

Turns ratio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = N2/N1

(7.163)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Transformation of voltage and current

V2 = nV1

(7.164)

 

 

I2 = I1/n

(7.165)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Output impedance (seen by Z 2)

 

 

 

Z out = n2Z 1

(7.166)

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Input impedance (seen by Z 1)

 

 

 

Z in = Z 2/n2

(7.167)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aIdeal, with a coupling constant of 1 between loss-free windings.

Star–delta transformation

1

 

1

 

‘Star’

 

‘Delta’

 

 

Z1

Z12

 

Z13

 

 

2

Z2

Z3

3

2

3

 

Z23

Star

Zi =

Zij Zik

(7.168)

impedances

Zij + Zik + Zjk

Delta

1

1

1

 

impedances

Zij = ZiZj

 

+

 

+

 

(7.169)

Zi

Zj

Zk

i,j,k node indices (1,2, or 3)

Zi impedance on node i

Zij impedance connecting nodes i and j

150

Electromagnetism

 

 

7.7 Transmission lines and waveguides

Transmission line relations

 

 

∂V

 

 

∂I

 

Loss-free

 

 

 

 

= −L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.170)

 

∂x

∂t

transmission line

 

 

∂I

 

 

∂V

 

equations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x = −C ∂t

(7.171)

 

 

 

Wave equation for a

 

 

1 2V

=

 

2V

(7.172)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LC ∂x2

∂t2

lossless transmission

 

 

1 2I

 

 

 

 

2I

 

line

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LC ∂x2 = ∂t2

(7.173)

 

 

 

Characteristic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

impedance of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zc = C

(7.174)

lossless line

Characteristic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R + iωL

 

impedance of lossy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z c = G+ iωC

(7.175)

line

Wave speed along a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

lossless line

vp = vg =

 

 

 

(7.176)

LC

 

 

 

 

Input impedance of

Z in = Zc

Z t coskl − iZc sinkl

(7.177)

a terminated lossless

 

 

 

 

 

 

 

 

2Zc coskl − iZ t sinkl

 

line

 

 

 

 

= Zc

/Z t if l = λ/4

(7.178)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reflection coe cient

 

 

 

 

Z t Z c

 

 

 

 

 

 

 

 

from a terminated

r =

 

 

(7.179)

line

 

 

 

 

Z t + Z c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Line voltage

vswr =

1 + |r|

 

(7.180)

standing wave ratio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − |r|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vpotential di erence across line

Icurrent in line

Linductance per unit length

Ccapacitance per unit length

xdistance along line

ttime

Zc characteristic impedance

Rresistance per unit length of conductor

Gconductance per unit length of insulator

ωangular frequency

vp phase speed vg group speed

Zin (complex) input impedance

Zt (complex) terminating

impedance

kwavenumber (= 2π/λ)

ldistance from termination

r(complex) voltage reflection coe cient

Transmission line impedancesa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Coaxial line

Zc =

µ

 

 

 

 

 

 

b

60

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

(7.181)

4π2

a

 

 

a

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Open wire feeder

Zc =

µ

 

 

 

 

l

120

 

 

 

l

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

(7.182)

π2

r

 

 

r

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Paired strip

Zc =

µ d

 

377 d

 

 

 

 

 

 

(7.183)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

w

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

Microstrip line

Zc

 

377

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.184)

 

 

[(w/h) + 2]

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

Zc characteristic impedance (Ω)

aradius of inner conductor

bradius of outer conductor

permittivity (= 0 r)

µpermeability (= µ0µr)

rradius of wires

ldistance between wires ( r)

dstrip separation

wstrip width ( d)

hheight above earth plane ( w)

aFor lossless lines.

7.7 Transmission lines and waveguides

151

 

 

Waveguidesa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kg

wavenumber in guide

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

angular frequency

Waveguide

 

ω2

 

 

m2π2

 

 

 

 

n2π2

 

 

a

 

guide height

kg2 =

 

 

(7.185)

b

 

guide width

equation

c2

 

a2

 

 

b2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m,n

mode indices with respect to

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a and b (integers)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

νc = c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Guide cuto

 

m

!

2

 

 

 

 

 

n

!

2

 

 

 

νc

cuto frequency

frequency

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

(7.186)

 

 

 

 

 

2a

 

 

2b

 

 

 

 

ωc

2πνc

Phase velocity

vp =

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.187)

vp

phase velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

above cuto

(2 1 − (νc

)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Group velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

above cuto

vg = c /vp = c 1 − (νc)

 

(7.188)

vg

group velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZTM

wave impedance for

 

ZTM = Z0

1

 

 

(νc)2

 

 

 

 

(7.189)

 

 

transverse magnetic modes

Wave

 

 

 

 

 

 

Z

 

wave impedance for

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TE

impedancesb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

transverse electric modes

 

 

 

 

 

 

 

(νc)2

 

(7.190)

 

 

 

ZTE = Z0/

 

1

 

 

 

Z

 

impedance of free space

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

(= (

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ0/ 0

Field solutions for TEmn modesc

 

 

 

 

 

 

Bx =

ikgc2 ∂Bz

 

 

iωc2 ∂Bz

 

 

 

ωc2 ∂x

 

Ex =

2

∂y

 

 

 

 

ikgc2 ∂Bz

 

 

ωc

 

 

 

By =

 

Ey = −i

ωc2 ∂B

z

(7.191)

 

ωc2

∂y

 

2

 

 

 

 

 

mπx

nπy

 

ωc

∂x

b

7

 

 

Ez =0

 

 

 

Bz =B0 cos

 

cos b

 

 

 

a

 

 

 

 

Field solutions for TMmn modesc

 

 

z

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

Ex =

ikgc2 ∂Ez

 

 

−iω ∂Ez

y

 

 

2

∂x

 

Bx =

 

 

 

ωc

 

 

2

 

∂y

 

 

 

 

ikgc2 ∂Ez

 

 

ωc

 

 

 

 

 

 

 

iω ∂Ez

 

(7.192)

 

Ey = ωc2

 

 

By =

 

 

∂y

 

ω2

∂x

 

 

 

Ez =E0 sin mπx sin nπy

 

c

 

 

 

 

 

Bz =0

 

 

 

 

 

 

 

a

b

 

 

 

 

 

 

 

aEquations are for lossless waveguides with rectangular cross sections and no dielectric.

 

 

bThe ratio of the electric field to the magnetic field strength in the xy plane.

 

 

cBoth TE and TM modes propagate in the z direction with a further factor of exp[i(kgz ωt)] on all components.

 

B0 and E0 are the amplitudes of the z components of magnetic flux density and electric field respectively.