Campo magnetico e forza di Lorentz (II)

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1 Campo magnetico e forza di Lorentz (II) Moto di particelle cariche in un campo magnetico Seconda legge elementare di Laplace Principio di equivalenza di Ampere Effetto Hall Galvanometro

2 Moto di una particella carica in un campo magnetico F = q v d p dt = q v m d v dt = q v (per v << c) d v dt = v = q m precessione intorno a con velocita` angolare ω

3 Moto di una particella carica Supponiamo il campo magnetico ortogonale al piano del moto v F Non compie lavoro Forza centripeta F = m v2 R = q v R = m v q = p q

4 Moto di una particella carica Supponiamo il campo magnetico ortogonale al piano del moto F v T = 2 R v = 2 m q = 2 " Non compie lavoro Forza centripeta F = m v2 R = q v senza correzioni relativistiche

5 Moto di una particella carica Se la velocità ha componente non nulla nella direzione di, il percorso e` elicoidale Il passo dell elica e` determinato dalla componente della velocita` parallela al campo magnetico Se la carica e` positiva, il moto dalla punta del campo magnetico appare orario (antiorario se q<0)

6 Filo conduttore percorso da corrente elettrica (con ) Moto degli elettroni di conduzione J = ne v D Su ciascun elettrone si esercita la forza F e = e v D " Filo indeformabile: la forza e` trasmessa alla massa del filo attraverso l interazione (urto) degli elettroni con il reticolo cristallino

7 Filo conduttore percorso da corrente elettrica (con ) Su un tratto di conduttore di sezione A e lungheza dl sono contenuti elettroni nadl d F = nadl F e = nadle v D " = Adl J Orientando il filo (dl) come la densita` di corrente e scrivendo AJ=i, si ottiene: d F = id l seconda legge elementare di Laplace (approssimazione: si considera costante sulla sezione del filo)

8 Filo conduttore percorso da corrente elettrica (con ) Su un filo di lunghezza finita con estremi A, si esercita la forza: F = i " A d l Forza perpendicolare al filo e al campo magnetico, orientata secondo la regola della vite destrorsa Forza come risultante di contributi elementari Applicata al centro di massa E` un espediente di calcolo, un tratto infinitesimo di filo percorso da corrente non e` fisicamente realizzabile (un loop si)

9 Filo conduttore percorso da corrente elettrica (con ) Filo rettilineo F = i d l # " = i% " d l A $ A & ( ' Il modulo del campo e` costante L angolo θ tra il campo e il filo e` costante F = i l F = ilsin

10 Filo conduttore percorso da corrente elettrica (con ) Filo su un piano F = i d l " = i " (dxe x + dy e y ) A A = i(x e x + y e y ) " """ = i A " La forza su un filo che giace in un piano dipende solo dalla posizione dei suoi estremi Se il filo e` chiuso la forza e` nulla (gli estremi coincidono A=0)

11 Esempio a = 5 cm i = 1 A m = 0.5 g m i F a =??? F = i l = i a F = ia all equilibrio F = mg ia = mg = mg ia = " "2 = "2 T

12 Esempio y i = e y tratto rettilineo " A = 2R e " x """ F = i A A R Il circuito e` chiuso è sul tratto circolare: x = 2iR e x e y = 2iR e z F = 2iR e z Verifica d l = dx e x + dy e y d F = id l = i("dx e x + dy e y ) e y F = i e R z dx = 2iRe z " R = idx e z

13 Momento meccanico. Principio di equivalenza di Ampere. Momento magnetico di una spira piana di area A percorsa dalla corrente i n A i m = ia n Connessione con il momento meccanico quando e` immersa in un campo magnetico

14 Spira in un campo magnetico Spira piana rigida Campo magnetico uniforme La forza totale e` nulla La spira non si sposta e non si deforma Il momento meccanico puo` essere diverso da zero La spira puo` compiere una rotazione

15 Spira in un campo magnetico a b F 4 F3 = F stessa retta di azione 4 n F 3 i F 1 bsin θ n F 2 F 1 = F 2 = F = ia M = bsinf = iabsin = iasin = msin M = m

16 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b = sin e y + cos e z C y # FA = i( r a e r A ) " = ia e y " y = iacos e x % $ % % &

17 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b = sin e y + cos e z C y # F A = i( r r A ) " = ia e y " = iacos e % x % F CD = i( r D r C ) " = F $ A % % &

18 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b = sin e y + cos e z C y # F A = i( r r A ) " = ia e y " = iacos e % x % F CD = i( r D r C ) " = F $ A % F C = i( r C r ) " = ib e x " = ibsin e z + ibcos e y % b e & x

19 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b # % % $ % % & = sin e y + cos e z C y F A = i( r r A ) " = ia e y " = iacos e x F CD = i( r D r C ) " = F A F C = i( r C r ) " = ib e x " = ibsin e z + ibcos e y F AD = i( r A r D ) " = F C

20 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b # % % $ % % & = sin e y + cos e z C y F A = i( r r A ) " = ia e y " = iacos e x F CD = i( r D r C ) " = F A F C = i( r C r ) " = ib e x " = ibsin e z + ibcos e y F AD = i( r A r D ) " = F C

21 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b M = a 2 = sin e y + cos e z C y e y F C " a 2 Momento meccanico e y F F C AD = a e y F C = a e y ("ibsin e z + ibcos e y ) = iabsin e y " e z = iabsin e z e y = ia n = m

22 Spira in un campo magnetico x n = e z i D A a z θ b m = ia n = sin e y + cos e z C y Momento meccanico M = m

23 Spira in un campo magnetico Vale per un circuito piano di forma arbitraria un circuito puo` sempre essere approssimato da un reticolo di spire rettangolari infinitesime i lati adiacenti sono percorsi da correnti opposte e non contribuiscono al momento della forza m / / M = 0 = 0 Equilibrio stabile = " Equilibrio instabile

24 Spira in un campo magnetico Spira con momento di inerzia I rispetto ad un asse di rotazione parallelo a M dl dt = M = msin m L = I d dt I d 2 dt 2 + m = 0

25 Spira in un campo magnetico: piccole oscillazioni Spira con momento di inerzia I rispetto ad un asse di rotazione parallelo a M + m = 0 I d 2 dt 2 = m I

26 Principio di equivalenza di Ampere Un ago magnetico sottoposto ad un campo magnetico si comporta come una spira percorsa da corrente Una spira piana di area da percorsa dalla corrente i equivale agli effetti magnetici a un dipolo magnetico di momento magnetico d m = ida n n perpendicolare al piano della spira e orientato rispetto al verso della corrente secondo la regola della vite destrorsa

27 Principio di equivalenza di Ampere Un ago magnetico sottoposto ad un campo magnetico si comporta come una spira percorsa da corrente Una spira piana di area da percorsa dalla corrente i equivale agli effetti magnetici a un dipolo magnetico di momento magnetico d m = ida n i d m da d m

28 Interazione dipolo magnetico campo magnetico Analogia con il dipolo elettrico U = m " = mcos = iacos Energia potenziale M = du = msin d Momento meccanico

29 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico Circuito C percorso da corrente Superficie Σ contorno Circuiti elementari: resta il contorno du = d m " energia potenziale del circuito C U = du = i d m = ida n % " nda = i# $ ( ) " = 0 = " # A $ C i Σ da n

30 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico Circuito C percorso da corrente Superficie Σ contorno Circuiti elementari: resta il contorno energia potenziale del circuito C U = U = i du = i d m = ida n % " nda = i# $ ( ) $ & " # A$ nda = i % Stokes # C A" d l C i Σ da θ n

31 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico U = i" # ( ) = i Il flusso del campo magnetico attraverso una superficie dipende solo dal contorno C della superficie è flusso concatenato con il circuito L energia potenziale di interazione di un circuito C percorso da una corrente i con un campo magnetico attraverso una superficie Σ e` data dal prodotto della corrente per il flusso del campo magnetico concatenato con il circuito, cambiato di segno. % C A$ d l C i Σ da θ n

32 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico Moto del circuito relativamente al campo magnetico: variazione del flusso concatenato variazione dell energia di interazione dw = U A U A+dA = du = id( ) se la corrente resta costante durante lo spostamento W = i"( ) = i $ " 2 ( ) # " 1 ( ) & % '

33 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico Traslazione infinitesima x dw = i # $ ( x + x) " ( x) % & = i " # x dw = F x F forza che agisce sul circuito F = "U = i "#( )

34 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico Rotazione rigida infinitesima " dw = du = M " = i " " M = "U = i "

35 Forza, lavoro, momento, flusso magnetico Circuito piano di area A molto piccola (campo uniforme su A) F = "U = "( m # ) = i "( # na) M = $ $ ( m # ) = i $ $ ( # na) - Valide anche per un piccolo ago magnetico - Equivalenza con il dipolo elettrico in un campo elettrostatico

36 Condizione: i=costante E` importante osservare che tutte le considerazioni svolte valgono a condizione che durante lo spostamento la corrente resti costante Infatti la variazione del flusso magnetico concatenato con il circuito induce fenomeni (che studieremo piu` avanti) che variano la corrente circolante

37 Condizione: i=costante E` pertanto necessario un dispositivo esterno che mantenga costante la corrente Ne consegue che l energia potenziale di interazione dipolo-campo non puo` essere l unica forma di energia coinvolta

38 Unita` di misura del flusso Flusso magnetico: campo x superficie " # $ % = " # $ % " # A$ % & Tm2 Weber 1Wb = 1T 1m 2 Momento magnetico: Am 2 = J T Momenti magnetici correnti microscopiche elettrone ~ 10 Am protone ~ 5 10 Am

39 Effetto Hall = e z J = i ab e = nq v x D Su ciascun portatore agisce la forza di Lorentz F = e v Campo elettromotore (non conservativo) D F E = H q = v J = D nq = J e nq y il verso del campo elettromotore dipende dal segno della carica

40 Effetto Hall = e z J = i ab e = nq v x D Il campo elettromotore genera una deflessione delle cariche in moto e tende ad accumulare cariche su un lato della barretta conduttrice Equilibrio tra campo elettrostatico e campo elettromotore v D + E = E H + E = 0

41 Effetto Hall = ez d J = i ab e = nq v x D Tensione del campo elettromotore H = E H a = J nq a = i ab nq a = i nqb i = V R = V d ab = Vab d = Vab d nqb = a V nq d

42 Effetto Hall = ez J = i ab e = nq v x D segno di ε H segno dei portatori di carica moduli di ε H e densita` di carica nq = a V H nq" d H V dalla misura della tensione di Hall si puo` misurare

43 Galvanometro Strumento alla base della realizzazione di strumenti per la misura di intensita` di corrente, differenze di potenziale e resistenze l θ magnete permanente bobina di N spire rettangolari di area S attraverso cui passa la corrente da misurare cilindro di ferro dolce fa si che le linee del campo magnetico siano sempre perpendicolari alla superficie del cilindro è ai lati verticali della bobina

44 Galvanometro Strumento alla base della realizzazione di strumenti per la misura di intensita` di corrente, differenze di potenziale e resistenze l θ momento magnetico della bobina θ = π forma un angolo sui lati verticali 2 m = NiS n con il campo agente la bobina e` mantenuta in asse da due molle quando circola corrente la bobina entra in rotazione, e le molle si oppongono

45 Galvanometro F m M = NiSsin( m ) = NiSsin( 2 ) = NiS M = m = NiS ˆm F All equilibrio k = NiS = NiS k i