Campo&magne*co& - Macroarea di Scienze M.F.N. · Il&Magne*smo& • L’esistenza di una forza...
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Il Magne*smo • L’esistenza di una forza capace di attirare particelle metalliche risale all’antica città di Magnesia in Grecia. • In quella città ricca di molte miniere di Ferro si osservarono per la prima volta fenomeni di attrazione e orientamento di particelle metalliche; da allora in poi chiamate “Magnetismo”.
• Per molti secoli questi fenomeni vennero osservati, classificati ed usati senza nessuna relazione con altre discipline. • Solo la scienza del XIX secolo mise in relazione il magnetismo con il passaggio di corrente e riuscì a definire l’esistenza dei campi magnetici.
Campo magne*co
BvqFB!!!
×=
vqFB B=
Per definire il campo magnetico B dobbiamo usare una carica elettrica in movimento • una carica elettrica ferma in un campo magnetico non sente nessuna forza • Se il campo è in una direzione definita e il moto della carica è nella stessa direzione questa non sente nessuna forza • Se il campo è in una direzione (diciamo x) e la carica si avvicina a quella direzione da una direzione ortogonale (direzione y) la carica subirà una Forza (deviazione in direzione z) che è perpendicolare sia alla direzione del moto che alla direzione del campo.
• Il verso della forza di deviazione è tale che i vettori F, v, B (in quest’ordine) formano una terna destrorsa.
Campo magne*co • La carica negativa sente una forza opposta a quella della carica positiva
• Poli magnetici opposti si attraggono, mentre poli magnetici concordi si respingono
• Nel SI l’unità di misura è il T (Tesla) e vale
1T = 1 newton 1(coulomb)(metro/ampere)
1T = 104 Gauss
Carica in moto in un campo magne*co
Bmqf
mqB
Tf
qBm
qBmv
vvrT
==
==
===
πω
π
πππ
2
21
22 2
• Una carica elettrica che entra in un campo magnetico viene deviata perpendicolarmente sia alla direzione del suo movimento che alla direzione del campo magnetico. • Caso semplice: velocità della carica v costante con direzione perpendicolare a B. La traiettoria sarà una circonferenza di raggio r = mv/qB. Infatti la forza di Lorentz è una forza centrale che imprime una accelerazione centripeta alla carica con velocità v qvB = mv2/r
N.B. Il periodo non dipende dalla velocità della carica. Essa incide solo sul raggio della circonferenza. Velocità più grandi avranno traiettorie con raggi più grandi Cariche con lo stesso q/m si muoveranno con lo stesso T
Carica in moto in un campo magne*co Se la direzione della carica non è perpendicolare alla direzione del campo magnetico allora il moto sarà elicoidale con la componente perpendicolare a B (v| = v sin θ) che determinerà il raggio dell’elica e la componente parallela a B (v“ = v cosθ) che determinerà il passo dell’elica.
Se il campo magnetico non è uniforme il raggio dell’elica varia e se la disuniformità è sufficientemente elevata la carica può rimbalsare e tornare indietro. In alcuni casi di grande disuniformità si verifica un vero e proprio intrappolamento.
Fili percorsi da corrente
iLBF
BvviLBqvF
B
dd
dB
=
°== 90sinsinφ
Un filo percorso da corrente immerso in un campo magnetico perpendicolare alla direzione del filo risentirà di una forza deformante dovuta alla legge di Lorentz F = qvd x B
Nel caso di un tratto di filo L avremo che q = i t = i (L/vd) se questo è il valore di q la forza a cui il tratto di filo è sottoposto diventa:
Naturalmente se la direzione del filo non è perpendicolare a B FB = iL x B
Spira percorsa da corrente
θθτ sinsin2
2' iABbiaB =⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
• Una spira percorsa da corrente e immersa in un campo magnetico subisce un momento torcente.
• Il momento torcente è il risultato della legge di Lorentz su ciascun lato della spira. Se la spira è in una qualunque posizione, non parallela al campo B, ogni ramo subirà una sollecitazione verso l’esterno, ma: 1. i lati minori avranno forze agenti sulla stessa
retta d’azione e si annulleranno, 2. mentre le forze agenti sui lati maggiori imprimeranno un momento torcente tale da allineare il vettore n con il campo B
Legge di Biot-‐Savart
204
1rdqdE ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
πε
30
4 rridsBd!! ×
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=πµ
20 sin4 r
idsdB θπµ
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
Come una qualunque distribuzione di cariche statiche dq crea un campo elettrico dE , allo stesso modo, cariche in movimento ids creano un campo magnetico dB
Campo elettrico Campo magnetico
rrdqEd !!3
041
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
πε
µ0 = 4π . 10-7 [T . m/A]
B creato da un lungo filo percorso da corrente
riBπµ20=
( )
( ) Ri
Rss
RiB
dsRsRiB
dsr
idBB
πµ
πµ
πµ
θπµ
22
2
sin2
2
0
0
21220
0 23220
0 200
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
+=
+=
==
∞
∞
∞∞
∫
∫∫
Se le corrente percorre un filo abbastanza lungo il campo B è linearmente dipendente da i e inversamente dipendente da r. Il verso delle linee di campo seguono la regola ella mano destra
Dalla legge di Biot-Savart dovremo fare l’integrale di ciascun elemento di corrente rispetto a P e per simmetria si ricava
B creato da un filo circolare percorso da corrente
20
20
490sin
4 Rids
RidsdB
πµ
πµ
=°
=
φπµ
φπµ
φπµ φφ
RiB
dRid
RiRB
4
440
00
200
=
=== ∫∫
Applicando la legge di Biot-Savart si può ricavare il B indotto da qualunque configurazione di correnti (basta fare gli opportuni integrali). Nel caso di un arco di circonferenza il valore di B si ottiene in una forma molto semplice:
Si noti che l’angolo fra la direzione fra ds e r in curve circolari è per definizione 90°. L’integrale in ds è connesso con l’arco φ dalla relazione ds = R dφ quindi:
Ricordarsi di usare i radianti nel fare questo integrale
Per una circonferenza φ = 2π quindi B = µ0 i/2R
Fili paralleli percorsi da corrente
diLiF ab
ab πµ20=
i
i
L
Ba
Fab
a b
d
Due fili paralleli percorsi da corrente si attraggono o si respingono secondo la legge
La corrente che passa nel filo a crea un campo a distanza d pari a B = µ0ia/2πd. La corrente del filo b risente di questo campo e per la legge di Lorentz subisce una forza Fab che lo dirige verso il filo a l’intensità di questa forza dipende da
Fab = ibL x Ba Fili paralleli percorsi da corrente se hanno lo stesso verso si attraggono, mentre fili che hanno versi di correnti contrarie si respingono.
Definizione di Ampere
l’Ampere è la corrente necessaria s permettere che due fili paralleli posti ad 1 metro di distanza possano attrarsi con la forza di 2 x10-7 N
Legge di Ampere in casi semplici
rRiB
RrirB
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
=
20
2
2
0
2
)2(
πµ
ππ
µπ
• Nel caso di un filo rettilineo il campo magnetico B esterno al filo è dato da
∫B . ds = ∫B cos q ds = B ∫ds = B (2πr) Pertanto per la legge di ampere B 2πr = µ0i • Nel caso si volesse trovare il valore del campo B interno ad un filo percorso da corrente avremo ancora:
∫B . ds = B (2πr) mentre la corrente racchiusa sarà: ic = i (πr2/πR2)
e la legge di Ampere sarà:
Linea chiusa
r
ds B
i
θ = 0
ds
B
r
R
Caso del solenoide
BhdsBdsBdsBdsBsdBa
d
d
c
c
b
b
a=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅ ∫∫∫∫∫
!!
Un filo percorso da corrente elicoidalmente avvolto in N spire dello stesso diametro formano un solenoide. In un tale sistema, se il diametro è molto minore della lunghezza, il campo magnetico B interno al solenoide è uniforme ed intenso, mentre il campo esterno è molto debole (nullo nel caso ideale).
Calcolo di B per un solenoide ideale:
e la corrente interna alla linea descritta varrà ic = i (nh) quindi si avrà:
B = µo i n
Toroide
riNB 120
πµ
=
• Un toroide è un solenoide racchiuso su se stesso, in questo modo il campo B è confinato all’interno di una regione limitata e non ci sono effetti dovuti alla terminazione dell’avvolgimento. • Considerazioni di carattere simmetrico ci suggeriscono che le linee del campo B all’interno del toro sono circolari e non sono uniformi. Le linee sono più intense verso la parte interna che verso la parte esterna del toro.
• La linea chiusa (usata per il teorema di Ampere) è presa all’interno del toro a distanza r dal centro di massima simmetria cosi che B (2πr) = µ0 i N
Dipolo magne*co
( ) 2322
20
2)(
zRiRzB+
=µ
30
2)(
zNiAzB
πµ
=
30
2)(
zzB µ
πµ!!
=
• Il campo creato da una singola spira, o un numero piccolo di spire, il dispositivo non ha sufficiente simmetria per essere calcolato con la legge di Ampere. • Il campo magnetico in un punto sull’asse della spira di raggio R dovrà essere calcolato utilizzando la legge di Biot-Savart • Per punti lontani dalla spira (z>>R) il campo sarà funzione di 1/z3 e se consideriamo anche il numero delle spire il campo B avrà la forma
Dove NiA è il momento di dipolo magnetico µ
Calcolo del dipolo magne*co 3
0
4 rrsidBd!!! ×
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=πµ
20
" 4cosrdsidB
παµ
=
dszRiRdB 23220
" )(4 +=
πµ
In base alla legge di Biot-Savart il campo elementare dB è perpendicolare al piano individuato da ds (perpendicolare alla slide) e al vettore posizione r. Tale vettore avrà le sue componenti di cui ci interessa solo quella una parallela perché quella perpendicolare si annulla nell’integrale B =∫dB” quindi: dB = dB“ cosα ovvero
Ma r = √R2+z2 e cosα = R / r quindi il campo elementare dB” avrà la forma
2322
20
23220
"
)(4)(
)(4
zRiRzB
dszRiRdBB
+=
+== ∫∫
πµ
πµ