Chi fa lavoro? Osserviamo che la forza magnetica è perpendicolare alla velocità dei portatori di carica Non compie lavoro sulle cariche

Documenti analoghi
Elettromagnetismo. Applicazioni della legge di Gauss. Lezione n Prof. Francesco Ragusa Università degli Studi di Milano

Energia meccanica. Lavoro Energia meccanica Concetto di campo in Fisica. Antonio (

FORMULARIO ELETTROMAGNETISMO

S 2 S 1 S 3 S 4 B S 5. Figura 1: Cammini diversi per collegare i due punti A e B

Esistono alcune sostanze che manifestano la capacità di attirare la limatura di ferro, in particolare, la magnetite

Dipolo Elettrico: due cariche (puntiformi) +q e q (stesso modulo, segno opposto) a distanza a. Momento di Dipolo, P: Vettore di modulo

Il magnetismo magnetismo magnetite

Grandezza fisica vettoriale che esprime le proprietà dello spazio dovute alla presenza in esso di una o più cariche elettriche.

Università del Salento Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Industriale Secondo esonero di FISICA GENERALE 2 del 16/01/15

Robotica industriale. Richiami di statica del corpo rigido. Prof. Paolo Rocco

Capacità. Capacità elettrica Condensatore Condensatore = sistema per immagazzinare energia (elettrica) Fisica II CdL Chimica

Magnete. Campo magnetico. Fenomeni magnetici. Esempio. Esempio. Che cos è un magnete? FENOMENI MAGNETICI

Conoscenze FISICA LES CLASSE TERZA SAPERI MINIMI

ESERCITAZIONI FISICA PER FARMACIA A.A. 2012/2013 ELETTROMAGNETISMO - OTTICA

Corso di Chimica-Fisica A.A. 2008/09. Prof. Zanrè Roberto Oggetto: corso chimica-fisica. Esercizi: Dinamica

LA FORZA...SIA CON TE!

Esercizio (tratto dal problema 7.36 del Mazzoldi 2)

Campo magnetico e forza di Lorentz (I)

Moto degli elettroni di conduzione per effetto di un campo elettrico.

Perchè non si è semplicemente assunto che il campo magnetico B abbia la direzione della forza magnetica agente su di un filo percorso da corrente?

LICEO SCIENTIFICO STATALE G. MARCONI FOGGIA

QUANTITA DI MOTO Corso di Fisica per Farmacia, Facoltà di Farmacia, Università G. D Annunzio, Cosimo Del Gratta 2006

ax 1 + bx 2 + c = 0, r : 2x 1 3x = 0.

ESERCIZIO SOLUZIONE. 13 Aprile 2011

Punti nel piano cartesiano

INTERPRETAZIONE CINEMATICA DELLA DERIVATA

Problema 1: SOLUZIONE: 1) La velocità iniziale v 0 si ricava dal principio di conservazione dell energia meccanica; trascurando

x 2 + (x+4) 2 = 20 Alle equazioni di secondo grado si possono applicare i PRINCIPI di EQUIVALENZA utilizzati per le EQUAZIONI di PRIMO GRADO.

23.2 Il campo elettrico

Applicazioni del teorema di Gauss

Distribuzione di carica piana ed uniforme... 32

Corso di Fisica Generale 1

Il campo magnetico. 1. Fenomeni magnetici 2. Calcolo del campo magnetico 3. Forze su conduttori percorsi da corrente 4. La forza di Lorentz

Nome: Cognome: Matricola:

CORSO DI LAUREA IN MATEMATICA

Il potenziale elettrico

15/aprile Esercizi

Forme differenziali e campi vettoriali: esercizi svolti

Le forze. Cos è una forza? in quiete. in moto

04 - Numeri Complessi

Magnetismo Interazione magnete-magnete

ha come obiettivo quello di costruire a partire da A una matrice U, m n, che abbia il

Questo simbolo significa che è disponibile una scheda preparata per presentare l esperimento

attrito2.notebook March 18, 2013

Attrito statico e attrito dinamico

Appunti sul moto circolare uniforme e sul moto armonico- Fabbri Mariagrazia

Metodo dei minimi quadrati e matrice pseudoinversa

Lezione 6. Forze attive e passive. L interazione gravitazionale. L interazione elettromagnetica.

ESERCIZI SVOLTI SUL CALCOLO INTEGRALE

Cap 31 - Induzione e induttanza Due esperimenti

OSCILLATORE ARMONICO SEMPLICE

DAC Digital Analogic Converter

Geometria delle Aree. Finora ci si è occupati di determinare le sollecitazioni che agiscono su sezioni di elementi monodimensionali

I.I.S MASCALUCIA PROGRAMMAZIONE DI FISICA LICEO CLASSICO A.S

m = 53, g L = 1,4 m r = 25 cm

17. Elettromagnetismo

LEZIONE 4. { x + y + z = 1 x y + 2z = 3

Fig. 1: rotore e statore di una dinamo

I RADICALI QUADRATICI

ESPONENZIALI E LOGARITMI. chiameremo logaritmica (e si legge il logaritmo in base a di c è uguale a b ).

l'attrito dinamico di ciascuno dei tre blocchi sia pari a.

Corso di Fisica. Laurea in Scienze Infermieristiche Sede di Cassino

1 L estrazione di radice

Fisica II. 3 Esercitazioni

LA CORRENTE ELETTRICA

Esercizio. Sia a R non nullo e siano m, n numeri interi non nulli con m n. Allora a m /a n è uguale a. [1] 1/a n m [2] 1/a m n [3] 1/a n m [4] a n m

L induzione elettromagnetica - Legge di Faraday-Lentz

4 FORZE FONDAMENTALI

CONDUTTORI IN EQUILIBRIO ELETTROSTATICO

Potenze - Monomi - Polinomi - Operazioni tra Polinomi - Quadrato e Cubo del Binomio - Quadrato del Trinomio

INDICAZIONI PER LA RICERCA DEGLI ASINTOTI VERTICALI

STATICA DEI FLUIDI (Giuseppe Frangiamore con la collaborazione di Michele Sorce)

Circonferenze del piano

Università del Salento Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Industriale Appello di FISICA GENERALE 2 del 27/01/15

La corrente alternata

IL CAMPO ELETTROSTATICO. G. Pugliese 1

Funzioni goniometriche

2. APPUNTI SUI FASCI DI CIRCONFERENZE (raccolti dal prof. G. Traversi)

Oscillazioni. Si produce un oscillazione quando un sistema viene perturbato rispetto a una posizione di equilibrio stabile

Dinamica del corpo rigido

Metodi per la risoluzione di sistemi lineari

Francesco Zumbo

Sistemi di equazioni lineari

Equazioni Polinomiali II Parabola

Quadro riassuntivo di geometria analitica

Il transistor come amplificatore

Esempi di esercizi per la preparazione al primo compito di esonero

LICEO SCIENTIFICO STATALE A. EINSTEIN Via Parini PIOVE DI SACCO - PD

Questo paragrafo e quello successivo trattano gli stessi argomenti del capitolo B6 relativo alla soluzione grafica dei sistemi di primo grado.

y 3y + 2y = 1 + x x 2.

LEZIONE 10. S(C,ρ) Figura 10.1

Dinamica Rotazionale

Collegamento generatori di tensione. Collegamento parallelo. Sia dato il sistema di figura 1: Fig. 1 -

LA LEGGE DI COULOMB PER I MAGNETI

Biomeccanica del movimento sportivo lezione 10

FERRARI LUCI MARIANI PELISSETTO FISICA ELETTROMAGNETISMO E OTTICA IDELSON-GNOCCHI

Energia e Sviluppo Sostenibile

DIODO. La freccia del simbolo indica il verso della corrente.

2x 5y +4z = 3 x 2y + z =5 x 4y +6z = A =

Osservazioni sulle funzioni composte

Transcript:

Chi fa lavoro? Nell'analisi del sistema precedente abbiamo osservato che se si aumenta la corrente la forza magnetica supera il peso e il circuito si sposta verso l'alto La massa m acquista energia potenziale Viene compiuto un lavoro A prima vista sembra che siano le forze magnetiche a compiere lavoro Abbiamo detto che le forze magnetiche non fanno lavoro Per approfondire questo aspetto supponiamo che il circuito possa muoversi in direzione verticale vincolato a delle guide senza attrito Non può muoversi orizzontalmente Se si muove verticalmente i portatori di carica nel tratto superiore del circuito hanno una velocità con due componenti La componente u y dovuta al moto verticale del circuito La componente u x legata alla corrente: I = λ u x La forza magnetica sui portatori di carica è pertanto Osserviamo che la forza magnetica è perpendicolare alla velocità dei portatori di carica Non compie lavoro sulle cariche Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 37

Chi fa lavoro? Assumiamo di essere in una condizione stazionaria La corrente è costante La velocità verticale del circuito è costante Tutte le forze sono in equilibrio Scomponiamo la forza magnetica in una componente verticale e una orizzontale La componente verticale bilancia la forza peso La velocità verticale del circuito è costante La componente orizzontale si oppone alla corrente che circola nel filo La batteria deve fare un lavoro maggiore per mantenere la corrente costante Supponiamo che il circuito si alzi di tratto h = u y Δt Nel tempo Δt la batteria deve contrastare il lavoro della componente F mx Esattamente l'energia potenziale gravitazionale guadagnata dalla massa m Il lavoro è stato fatto dalla batteria! Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 38

Chi fa lavoro? Per finire un analogo meccanico Un piano inclinato senza attrito Il diagramma delle forze è lo stesso di quello della diapositiva precedente La forza normale non compie lavoro La reazione normale si scompone in due componenti La componente verticale che bilancia la forza peso La componente orizzontale che bilancia la forza esterna La forza esterna orizzontale compie un lavoro e ha come effetto di aumentare l'altezza della massa Aumenta l'energia potenziale gravitazionale della massa Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 39

Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa Università degli Studi di Milano Lezione n. 21 16.3.2017 Sorgenti del campo magnetico Divergenza e rotore del campo magnetico Anno Accademico 2015/2016

Campo di una densità di corrente Anche la legge di Biot e Savart) può essere generalizzata ad una densità di corrente J In questa formula Il vettore dl è perpendicolare a S: Sdl 1 = dv 1 Il vettore dl e il vettore J sono paralleli Pertanto Sottolineiamo che L'integrazione è fatta rispetto alla variabile r 1 La densità di corrente è calcolata nel punto r 1 Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 49

Campo di una densità di corrente La legge di Biot e Savart gioca per la magnetostatica lo stesso ruolo che la legge di Coulomb gioca per l'elettrostatica Tuttavia, nel caso dell'elettrostatica l'integrando rappresenta il contributo al campo elettrico di una carica elementare Nel caso della magnetostatica l'elemento di corrente elementare non ha senso Si potrebbe pensare che una carica in moto rappresenti una densità di corrente elementare che genera una campo magnetico elementare Ad esempio un moto rettilineo uniforme Questo è SBAGLIATO! La densità di corrente dqv NON è stazionaria Genera una campo magnetico dipendente dal tempo Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 50

L'assenza delle cariche magnetiche Richiamiamo la forma del campo generato da un filo infinito Le linee di campo sono circonferenze intorno al filo Sono linee chiuse, senza sorgente! Analogamente per il campo della spira Anche in questo caso le linee di campo sono chiuse Al limite partono e finiscono dall'infinito Abbiamo già notato la similitudine fra il campo di un magnete permanente e un dipolo elettrico Si potrebbe essere tentati di pensare che esistano le cariche magnetiche Si tratterebbe di una teoria perfettamente consistente Tuttavia le cariche magnetiche non esistono Vedremo che anche nella materia i campi sono generati da correnti A livello microscopico, da correnti atomiche Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 51

L'assenza delle cariche magnetiche Per il campo elettrico abbiamo visto che il legame fra la carica elettrica e il campo poteva essere descritto matematicamente dalla legge di Gauss Possiamo considerare una evidenza sperimentale che tutti i campi magnetici osservati possiedono la proprietà Questa legge esprime matematicamente il fatto che il campo magnetico non è generato da cariche magnetiche Un campo con divergenza nulla è detto solenoidale Ritorniamo al campo del filo infinito Lo abbiamo calcolato con la formula di Biot e Savart Dimostriamo semplicemente che un campo che si può scrivere con la formula di Biot e Savart ha divergenza nulla Preliminarmente alcune formule matematiche con l'operatore Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 52

Operatore applicato a prodotti Con l'operatore "Del" ( ) abbiamo definito tre operazioni applicandolo Ad una funzione scalare per costruire un vettore: gradiente φ Ad una funzione vettoriale per costruire uno scalare: divergenza F Ad una funzione vettoriale per costruire un vettore: rotore F Ci sono due modi per costruire una funzione scalare a partire da due funzioni (scalari o vettoriali) Prodotto di due funzioni scalari fg Prodotto di due funzioni vettoriali A B Analogamente ci sono due modi per costruire una funzione vettoriale a partire da due funzioni (scalari o vettoriali) Prodotto di una funzione scalare e una vettoriale fa Prodotto di due funzioni vettoriali A B Calcoleremo Il gradiente per i primi due casi La divergenza per gli altri due casi Il rotore per gli altri due casi In totale sei formule Abbiamo così esaurito tutte le possibilità di applicare l'operatore al prodotto di due funzioni (scalari o vettoriali) Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 53

Operatore applicato a prodotti Gradiente di una funzione scalare (risultato di un prodotto) Divergenza di una funzione vettoriale (risultato di un prodotto) Rotore di una funzione vettoriale (risultato di un prodotto) Una precisazione sull'espressione Analogamente per le componenti y e z Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 54

Divergenza del campo magnetico Calcoliamo la divergenza di B Sottolineiamo che calcoliamo le derivate rispetto a r Con r intendiamo l'operatore che agisce sulle coordinate r Inoltre abbiamo scambiato l'ordine di derivazione integrazione Utilizziamo l'identità (C D) = B C C D Evidentemente r J(r ) = 0 J(r ) non dipende da r Notiamo che l'argomento di r è sostanzialmente il campo elettrostatico di una carica puntiforme Il suo rotore è pertanto nullo Pertanto Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 55

Circuitazione del campo magnetico La divergenza del campo magnetico esprime una proprietà importante del campo Come in elettrostatica, ci permetterà di scrivere equazioni differenziali Tuttavia non definisce il legame del campo con le sue sorgenti Ricordiamo che nel caso del campo elettrico la circuitazione esprimeva la proprietà del campo di essere conservativo Ritorniamo al campo del filo infinito Le linee di campo sono delle circonferenze intorno al filo Il modulo del campo dipende dalla distanza dal filo Per completezza, le componenti sono Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 56

Circuitazione del campo magnetico Iniziamo con la circuitazione di B lungo il cammino indicato in figura L'integrale lungo Γ a e lungo Γ c è nullo Il cammino è radiale È perpendicolare al campo magnetico: B dl = 0 Lungo Γ b B è costante e l''integrale è Analogamente l'integrale lungo Γ d è Il segno meno deriva dal fatto che il campo magnetico e il cammino hanno verso opposto In definitiva Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 57

Circuitazione del campo magnetico Consideriamo ancora il campo magnetico di un filo infinito Calcoliamo adesso la circuitazione lungo il cammino Γ in figura Una circonferenza di raggio r 1 centrata sul filo Il campo magnetico e il cammino sono sempre paralleli Otteniamo pertanto In questo caso la circuitazione non è nulla A differenza dal caso precedente il cammino "gira intorno" a una corrente Si dice che la corrente è concatenata con il cammino Notiamo che il campo magnetico B non è conservativo Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 58

Circuitazione del campo magnetico I due risultati trovati possono essere espressi con una unica legge La circuitazione del campo magnetico è uguale alla corrente concatenata con il cammino Se non c'è corrente concatenata la circuitazione è nulla Tuttavia abbiamo utilizzato cammini particolari Circonferenze, archi di circonferenza, raggi Dimostriamo adesso che i due risultati trovati valgono per cammini arbitrari Iniziamo con un cammino senza corrente concatenata Consideriamo ad esempio il cammino in figura Ogni arco Δθ negativo o positivo È evidente che può essere approssimato con cammini infinitesimi fatti con raggi e circonferenze Ci si convince facilmente che la circuitazione lungo il cammino è nulla I cammini radiali non contribuiscono I contributi dei cammini lungo gli archi si elidono Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 59

Circuitazione del campo magnetico Consideriamo adesso un cammino Γ a concatenato con una corrente Consideriamo anche il cammino Γ b La parte di "raccordo" può essere resa trascurabile La parte esterna Γ 1 coincide, a meno di un tratto infinitesimo, con Γ a La parte interna Γ 2, a meno di un tratto infinitesimo mancante, è una circonferenza come quelle utilizzato fino ad ora Rispetto alla corrente concatenata i cammini Γ 1 e Γ 2 sono percorsi in senso opposto Avremo Abbiamo visto che la circuitazione lungo Γ 2 è proporzionale alla corrente concatenata In questo caso con il segno meno Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 60

Circuitazione del campo magnetico Per finire consideriamo un cammino che "gira" intorno alla corrente più di una volta Utilizzando opportuni tratti radiali rispetto al filo, il cammino può essere suddiviso in più cammini chiusi ognuno dei quali "gira" intorno al filo una sola volta Se complessivamente il cammino gira intorno al filo N volte avremo Per tutti i casi considerati abbiamo usato il campo magnetico di un filo infinito Possiamo considerare un fatto sperimentale il risultato che la legge trovata vale per qualunque campo magnetico generato da un sistema arbitrario di correnti stazionarie Anche più fili percorsi da correnti diverse Il risultato è sempre Legge di Ampère Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 61

Rotore del campo magnetico Finora abbiamo considerato le correnti trasportate da fili conduttori I risultati trovati possono essere estesi a sistemi descritti dalla densità di corrente Supponiamo di analizzare un sistema caratterizzato da una densità di corrente J(x,y,z) La richiesta di corrente stazionaria implica anche Per l'equazione di continuità avremo La legge di Ampère diventa Applichiamo il teorema di Stokes al primo membro Dato che la relazione vale per Γ (S) arbitrari Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 62

Rotore del campo magnetico Per concludere dimostriamo che il campo B espresso con la legge di Biot-Savart soddisfa l'equazione del rotore appena vista Calcoliamo il rotore Ancora una volta r agisce sulla variabile r e inoltre abbiamo scambiato derivate e integrale Elaboriamo l'integrando utilizzando la formula ( vedi diapositiva 54 1136 ) Poniamo temporaneamente u = r r' Il primo e il quarto termine sono nulli L'operatore r è applicato a una funzione di r Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 63

Rotore del campo magnetico Pertanto l'integrando si riduce a Introduciamo nella formula del rotore Dimostreremo che il primo integrale è nullo Nel secondo integrale Inseriamo nell'integrale Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 64

Rotore del campo magnetico Per completare la dimostrazione dimostriamo che il primo integrale è nullo Si tratta di tre integrali, uno per ciascuna componente Ad esempio la componente x r agisce su una funzione di r r Possiamo fare agire su r Utilizziamo l'identità (vedi diapositiva 54 1136 ) L'integrale della componente x diventa In magnetostatica r J(r ) = 0 Il primo integrale può essere trasformato con il teorema della divergenza Facendo tendere la superficie all'infinito l'integrale è nullo Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 65

Magnetostatica ed elettrostatica Riepiloghiamo le leggi fin qui trovate per l'elettrostatica e la magnetostatica Elettrostatica Magnetostatica Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 66

Unità di misura Le dimensioni e le unità di misura del campo magnetico possono essere definite utilizzando la forza di Lorentz Assumiamo E = 0 Nel sistema MKSA le dimensioni del campo B sono L'unità di misura nel sistema MKSA è il Tesla, simbolo T Un campo magnetico di un Tesla esercita la forza di 1 N su una carica di 1 C che si muove con una velocità di 1 m/s Il campo magnetico terrestre è dell'ordine di 10 5 T È molto utilizzato un sottomultiplo improprio: il Gauss G Improprio perché in realtà è l'unità di misura nel sistema CGS Le dimensioni sono diverse Tuttavia, numericamente, 1T = 10 4 G Il campo magnetico terrestre è dell'ordine di 0.1 G Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 67

Filo di raggio a percorso da corrente Consideriamo un filo percorso da corrente Non trascuriamo il raggio del filo Supponiamo che la corrente sia dovuta ad una densità di corrente uniforme sulla sezione del filo I Data la simmetria del problema le linee di campo sono delle circonferenze concentriche al filo Possiamo utilizzare la legge di Ampère per calcolare il campo magnetico All'esterno del filo r > a Uguagliando I All'interno del filo r < a Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 68

Filo di raggio a percorso da corrente Riepilogando r > a r < a I Scriviamo adesso il campo in forma vettoriale Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 69

La spira "cosφ" Consideriamo adesso il campo generato da due fili percorsi da corrente La corrente nei due fili circola in senso opposto a I a I r r Consideriamo adesso i due fili sovrapposti Nella regione di sovrapposizione la densità di corrente è nulla Una regione vuota, senza materiale Le densità di corrente che non si annullano sono come in figura Trasportano una densità di corrente uniforme ma con versi opposti Hanno una forma tale che la densità di corrente J varia come cosφ Consideriamo un punto nella regione J = 0 Dimostriamo che in questa regione il campo B ha solo la componente y Inoltre il campo ha modulo costante Ricordiamo che i campi dei due fili sono Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 70

La spira "cosφ" Consideriamo in dettaglio la regione interna Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 71

I dipoli di LHC I 56 mm Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 72

I dipoli di LHC Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 73

I dipoli di LHC Elettromagnetismo Prof. Francesco Ragusa 74