GRANDEZZE MAGNETICHE Prof. Chirizzi Marco

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1 Soenoide GRANDEZZE MAGNETICHE Pof. Chiizzi Maco PREMESSA La pesente dispensa ha come obiettivo queo di gaantie agi aievi de coso di Fisica de biennio, ad indiizzo tecnico pofessionae, una adeguata pepaazione in vista dea pova stuttuata, che si svogeà ne mese di giugno, in occasione degi esami di quaifica. Come si potà notae, gi agomenti in questione non sono stati tattati in modo esaustivo, data a vastità de pogamma di fisica de eettomagnetismo. Si invitano, petanto, gi aunni ad appofondie e tematiche poposte, mediante a consutazione di ibi di testo. Pof. Chiizzi Maco

2 . Campo magnetico podotto da un conduttoe ettiineo Un conduttoe ettiineo pecoso da coente eettica d intensità I, genea neo spazio cicostante un campo magnetico a cui intensità è definita mediante i vettoe induzione magnetica B ( vedi figua ). Figua. Fio conduttoe ettiineo pecoso da coente I vaoe che B assume in un punto P a distanza da fio conduttoe si cacoa come segue: B = µ I 2 π (. ) I vettoe induzione magnetica si misua in Tesa ( T ). I fattoe µ pende i nome di pemeabiità magnetica de mezzo, si misua in Hany meto H m e i suo vaoe dipende da tipo di mezzo ento cui si sviuppa i campo magnetico. La pemeabiità de vuoto isuta essee: µ 0 = 4 π 0 7 H m (.2 ) 2

3 Tutti i mateiai non feomagnetici, compesa aia e i gas, pesentano una pemeabiità magnetica cica uguae a quea de vuoto. Le inee di foza di B sono dee ciconfeenze che giacciono su piani pependicoai a conduttoe e hanno i cento ne punto di intesezione ta i piano ed i conduttoe stesso. I veso di B si detemina appicando a egoa dea mano desta oppue icoendo a quea dea vite destosa, che consiste ne immaginae di avvitae una vite, i cui avanzamento deve coincidee con i veso dea coente: i veso dee inee di foza di B coincideà con queo dea otazione dea vite..2 Foza podotta da campo magnetico su un fio conduttoe pecoso da coente eettica Un fio conduttoe pecoso da coente eettica di intensità I, sottoposto ad un campo magnetico unifome di intensità B, pependicoae a conduttoe stesso, è soggetto ad una foza magnetica F, a cui intensità dipende daa unghezza dea pate di conduttoe inteessata a campo magnetico, daa intensità dea coente e daa intensità de campo stesso ( vedi figua 2 ). Figua 2. Fio conduttoe pecoso da coente in un campo magnetico unifome 3

4 In fomua si ha: F = B I (.3 ) La diezione dea foza è pependicoae sia a vettoe campo magnetico che aa coente. I veso di F si detemina appicando a egoa dea mano sinista: i veso de vettoe foza è individuato da poice dea mano sinista disposta ungo i conduttoe secondo i veso dea coente, con e inee de campo magnetico entanti ne pamo dea mano. Se e inee di foza de campo magnetico non isutano pependicoai a fio conduttoe, i moduo de vettoe foza magnetica si cacoa come segue: F = B I senα dove α è angoo che i vettoe induzione magnetica B ( che ipotizziamo unifome) foma con i conduttoe..3 Campo magnetico podotto da una spia cicoae L induzione de campo magnetico podotto da una spia cicoae pecosa da coente ( vedi figua 3 ), vaia punto pe punto ed assume i massimo vaoe a cento dea spia stessa. Figua 3. Spia cicoae pecosa da coente 4

5 L intensità massima di B si cacoa come segue: B µ = 2 I (.4 ) dove è i aggio dea spia, I è intensità dea coente e µ è a pemeabiità de mezzo. Le inee di foza de campo magnetico sono ciconfeenze disposte su piani pependicoai a conduttoe, non più paaei ta oo come ne caso de conduttoe ettiineo. I veso dee inee di foza si detemina ancoa con a egoa dea mano desta. I campo magnetico isuta tanto più intenso quanto maggioe è intensità dea coente che pecoe a spia e quanto minoe è i aggio. I vaoe di B è, inote, tanto più eevato quanto maggioe è a pemeabiità µ de mezzo ento cui si genea i campo stesso..4 Campo magnetico podotto da un soenoide Pe ottenee un soenoide, basta avvogee de fio conduttoe su un suppoto ciindico di mateiae isoante. Se pecoso da coente, i soenoide genea, un campo magnetico, che o si può itenee costante a inteno de soenoide stesso. Le inee di foza di B sono quee ipotate in figua 4. Figua 4. Soenoide ettiineo pecoso da coente I campo magnetico a inteno de soenoide si cacoa come segue: 5

6 N I B = µ (.5 ) dove µ, N, I,, sono ispettivamente a pemeabiità magnetica de mezzo, i numeo di spie, intensità dea coente e a unghezza de soenoide. Ossevando a figua 5 si nota che a configuazione de campo magnetico è simie a quea geneata da un magnete pemanente. I poo nod ( N ) de campo coisponde aa estemità de soenoide da cui escono e inee di foza, mente i poo sud ( S ) coisponde a ata estemità. Dato che i veso dee inee di foza dipende da queo dea coente, invetendo i veso di pecoenza dea coente si invetono e poaità de campo magnetico. Se i fio conduttoe viene avvoto attono a un suppoto chiuso su se stesso, di foma cicoae, si ottiene i soenoide tooidae ( vedi figua 5 ). Figua 5. Soenoide tooidae Quest utimo, se pecoso da coente, genea un campo magnetico e cui inee di foza sono confinate a inteno dee spie. In questo caso, e poaità de campo magnetico non si possono individuae, a meno che non si eaizzi una apetua, detta tafeo, e cui estemità costituianno i poo N e i poo S. L intensità de campo magnetico a inteno de soenoide tooidae si cacoa ne seguente modo: µ N I B = (.6 ) 2 π dove è i aggio medio de tooide. 6

7 .5 Foza magnetomotice e foza magnetizzante Consideiamo a fomua B N I = µ ( intensità de campo magnetico geneato da un soenoide ettiineo ), già anaizzata ne pecedente paagafo. La quantità N I definisce a foma magnetomotice F m, intesa come a gandezza che poduce a magnetizzazione di un cicuito magnetico. Essa ammette come unità di misua ampee numeo spie Asp ( si egge ampespie ). I appoto F m definisce, invece, a foza magnetizzante H ( si misua in Asp/m ), cioè a foza magnetomotice pe unità di unghezza dee inee di foza. La fomua da cui siamo patiti assume a seguente foma funzionae: B µ Fm = = µ H (.7 ) dove appesenta a unghezza dea inea di foza sua quae agisce a foza magnetomotice. La foza magnetizzante H non dipende da tipo di mateiae ento cui si genea i campo magnetico, a diffeenza de vettoe induzione magnetica B, che dipende daa pemeabiità µ. L espessione (.7 ) è stata icavata consideando un caso paticoae ( soenoide ettiineo pecoso da coente ), ma in eatà ha vaidità geneae e appesenta i egame esistente ta i vettoe induzione magnetica e a foza magnetizzante. I appoto ta i modui B ed H dipende soo da tipo di mateiae ento i quae agisce i campo magnetico. 7

8 .6 Cassificazione dei mateiai in base aa pemeabiità magnetica Si definisce pemeabiità magnetica eativa µ i appoto ta a pemeabiità assouta de mateiae e quea de vuoto. In fomua si ha. µ µ = ( quantità adimensionae ) (.8 ) µ 0 In base a vaoe di µ, si possono cassificae i mateiai magnetici. I mateiai che posseggono pemeabiità eativa moto minoe de unità ( µ << µ 0 ), detti mateiai diamagnetici, pesentano, a paità di foza magnetizzante, bassa attitudine a fasi magnetizzae. Ciò impica che i campo magnetico geneato ne mateiae è meno intenso di queo che si avebbe ne vuoto. Hanno tae compotamento acqua, agento e i ame. I mateiai che posseggono pemeabiità eativa poco supeioe a unità ( µ > µ 0 ), detti mateiai paamagnetici, pesentano, a paità di foza magnetizzante, più ata attitudine a fasi magnetizzae ispetto ai mateiai diamagnetici, ma si oppongono comunque aa magnetizzazione. Ciò impica che i campo magnetico geneato ne mateiae è poco più intenso di queo che si avebbe ne vuoto. I mateiai che si compotano in questo modo sono, pe esempio, auminio, i patino e aia. I mateiai che posseggono pemeabiità eativa moto supeioe a unità ( µ >> µ 0 ), detti mateiai feomagnetici, pesentano, a paità di foza magnetizzante, più ata attitudine a fasi magnetizzae ispetto ai mateiai diamagnetici, ma si oppongono comunque aa magnetizzazione. Ciò impica che i campo magnetico geneato ne mateiae è di gan unga più intenso di queo che si avebbe ne vuoto. I feo è i mateiae maggiomente utiizzato pe ottenee induzioni magnetiche moto eevate, con vaoi eativamente bassi di H. Supeata a tempeatua di Cuie ( cica C ), i mateiai feomagnetici pedono attitudine a fasi magnetizzae compotandosi come paamagnetici. 8

9 .7 Fusso magnetico Si considei un campo magnetico di induzione B costante, con inee di foza ettiinee e paaee, che attavesano pependicoamente una supeficie, come iustato in figua 6. Figua 6. Fusso magnetico eativo a una supeficie pependicoae ae inee di fusso. Si definisce fusso magnetico φ ( B ) eativo aa supeficie consideata, i podotto ta intensità de vettoe induzione magnetica B e aea dea supeficie S pependicoae ae inee di foza de campo. In fomua si ha: φ ( B ) = B S (.9 ) L unità di misua de fusso magnetico è i webe: Webe = Tesa m. I fusso 2 magnetico è una gandezza che indica i numeo di inee di fusso che attavesano a supeficie disposta pependicoamente aa oo diezione. Se a supeficie consideata non è pependicoae ae inee di foza de campo, i fusso magnetico si cacoa come segue: 9

10 φ ( B ) = B S senα (.0 ) dove α è angoo che a supeficie foma co vettoe induzione magnetica B ( vedi figua 7 ). Figua 7. Fusso magnetico eativo a una supeficie non pependicoae ae inee di fusso.8 Definizione di iuttanza e pemeanza Si considei un cicuito magnetico di foma tooidae ( figua 5 ), composto da un mateiae di pemeabiità µ, con sezione S costante, pependicoae ae inee di foza de campo magnetico, e unghezza media. Si supponga che su cicuito stesso sia avvoto un induttoe di N spie pecoso da una coente di intensità I. I fusso magnetico che attavesa a sezione S si cacoa come segue: dove m F Φ = B S = µ H S = µ m S (. ) H ed F sono ispettivamente a foza magnetizzante e a foza magnetomotice. La quantità µ S pende i nome di pemeanza, che denotiamo con a ettea Ρ, e dipende dae popietà fisiche e geometiche de mateiae. Essa si 0

11 misua in Heny ( simboo H ). I ecipoco dea pemeanza definisce a iuttanza, ossia: R = = P µ S a cui unità di misua è Riassumendo: H. S Ρ = µ (.2 ) R = P = µ S (.3 ) Φ = B S = F Ρ (.4 ) m Φ = Fm B S = (.5 ) R Le equazioni (.4 ) e (.5 ) espimono a egge di Hopkinson. La iuttanza indica opposizione de mateiae a fasi magnetizzae: quando maggioe è i suo vaoe tanto più i mateiae si oppone aa magnetizzazione. Ossevando, infatti, a eazione (.5 ) si nota che a aumentae di R, supponendo a sezione S costante, diminuisce i fusso Φ e quindi anche i campo magnetico B podotto da una data foza magnetomotice F m..9 Definizione di induttanza Un fio conduttoe avvoto su un suppoto magnetico, non necessaiamente feomagnetico ( pe esempio aia ), pende i nome di induttoe o bobina eettica. L induttoe è un componente eettico caatteizzato da un paameto, detto induttanza, i cui vaoe o si indica con a ettea L. L induttoe, quando pecoso da coente di intensità I, genea a suo inteno un campo magnetico e cui inee di foza si concatenano con e spie de induttoe, come quee iustate in figua 4.

12 La eazione ΦC = N Φ (.6 ) dove N e Φ sono ispettivamente i numeo di spie e i fusso magnetico, definisce i fusso concatenato. I appoto ΦC L = (.7 ) I definisce induttanza dea bobina eettica. L unità di misua è heny ( H ). Appicando a egge di Hopkinson possiamo scivee: Φ L = I C N Φ N Ρ Fm = = I I Sostituendo espessione dea pemeanza si ha: L = N 2 N P N I = I µ S = N 2 2 N P = R (.8 ) La (.8 ) mosta che induttanza è costante se o è a pemeabiità magnetica de mateiae su cui è avvoto induttoe. Notiamo, inote, che induttanza aumenta con i numeo di spie e con a sezione S, mente diminuisce a aumentae dea unghezza dea bobina. L induttanza compessiva di due o più induttoi coegati in seie ( figua 8 ) si cacoa effettuando a somma dee induttanze: L seie = L + L L n (.9 ) Figua 8. Induttoi coegati in seie. 2

13 Figua 9. Induttoi coegati in paaeo L induttanza compessiva di due o più induttoi coegati in paaeo ( figua 9) si cacoa utiizzando a seguente eazione: L paaeo = L + L 2 + L L n (.20 ).0 Enegia de campo magnetico I gafico ipotato in figua 0 appesenta andamento ineae de fusso concatenato con e spie di un induttoe avente induttanza L costante, in funzione dea coente i che pecoe induttoe stesso. ϕ c Figua 3. Andamento ineae de fusso concatenato in funzione dea coente magnetizzante. 3

14 L aea de tiangoo ABC appesenta enegia magnetica W immagazzinata da induttoe. Se a coente i vaia da zeo a vaoe finae I, i fusso concatenato vaia da zeo a vaoe finae Φ = L I e enegia W si cacoa come segue: C AB BC I ΦC I L I 2 W = = = = L I ( joue ) (.2 ) In definitiva, enegia immagazzinata da una bobina dipende da induttanza L e da quadato dea coente che a pecoe. Ricodando che Φ = N Φ, F = N I, si possono icavae ate due espessioni C utii pe i cacoo de enegia magnetica immagazzinata, ossia: m W ΦC I N Φ I Φ F = = W = m (.22 ) Φ Fm R Φ Φ 2 Φ W = = W = Φ R = (.23 ) Ρ 4