Esercizi riassuntivi di Fisica II per il corso di laurea in Ingegneria Gestionale dell Università di Padova Prof. oberto Carlin Dott. Mosè Mariotti V 1.3 Padova 15 Gennaio 2010 V1.3 15/1/10: imossi esercizi su lenti e diffrazione, aggiunti esercizi 36,37,38 V1.2 12/4/08: Aggiunti esercizi e alcune correzioni. V1.1 25/5/03: Aggiunti esercizi 8,9,10,19 V1.0 12/5/03: Prima versione NB: Nonostante l attenzione nella correzione nei testi, è più che probabile siano presenti alcuni errori, che invitiamo gli studenti a riportare prontamente..carlin. M.Mariotti. E vietata ogni forma di copia, che non sia per uso personale degli studenti del corso di Fisica Generale II di Ingegneria Gestionale.
Problema 1. Due sfere conduttrici di raggio 1 =1cm e 2 =3cm sono poste con i centri ad una distanza L=2m. Inizialmente entrambe hanno una carica Q 0 =2*10-3 C. L 2L x q 0 1. Calcolare la forza esercitata su una carica puntiforme q 0 =-2*10-6 C posta ad una distanza 2L dal centro della seconda sfera (vedi figura). 2. La carica q o viene portata all infinito, quale è stato il lavoro compiuto dalle forze elettrostatiche? In seguito le due sfere vengono connesse con un filo conduttore. 3. Quali sono le cariche Q 1 e Q 2 che si misurano sulle due sfere? 4. Quale è l energia dissipata nel processo? La forza sulla carica q 0 è pari a q 0 E, dove E è il campo elettrico generato dalle due sfere cariche, valutato nel punto in cui si trova q 0. Le sfere sono distanti rispetto alle loro dimensioni, quindi trascuriamogli effetti di induzione reciproca (e a maggior ragione l effetto di induzione di q 0 ). Le distribuzioni di carica si considerano uniformi sulle superfici. Ciascuna delle sfere uniformemente cariche genera un campo che è equivalente a quello di una carica puntiforme posta nel loro centro, quindi, nel punto in cui si trova q 0 : E 1 = Q 0 4πε 0 ( 3L) E = Q 0 2 2 4πε 0 2L ( ) 2 (1.1) Q F = q 0 0 4πε 0 ( 2L) + Q 0 2 4πε 0 ( 3L) 2 = q Q 0 0 1 4πε 0 4L + 1 2 9L 2 = 3.25N u x (1.2) Il lavoro compiuto dalle forze elettrostatiche per portare la carica q 0 all infinito è pari a q 0 V, dove V è il potenziale nella posizione iniziale dalla carica q 0, generato delle due sfere cariche (equivalente a quello di due cariche puntiformi), e si considera 0 il potenziale all infinito: Q W = q 0 V = q 0 0 4πε 0 2L + Q 0 4πε 0 3L = q Q 0 0 1 4πε 0 2L + 1 3L = 15J (1.3) Quando le due sfere vengono connesse elettricamente, la loro carica si ridistribuisce, sempre sulle superfici, in modo che le due sfere si portino allo stesso potenziale. Sempre a causa della distanza tra le sfere, la distribuzione di carica su ciascuna sfera potrà ancora essere considerata uniforme. Si avrà quindi che, calcolando il potenziale sulle superfici delle sfere:
Q 1 4πε 0 1 = Q 2 4πε 0 2 (1.4) e quindi, considerando anche la conservazione della carica, le equazioni che determinano le cariche sono: Q 1 Q 2 = 1 2 Q 1 + Q 2 = 2Q 0 (1.5) da cui si ottiene: Q 2 = 2Q 0 1+ 1 2 = 3 10 3 C Q 1 = 2Q 0 Q 2 = 1 10 3 C (1.6) L energia dissipata nel processo sarà pari alla variazione dell energia elettrostatica del sistema. Ciascuna sfera carica può essere considerata come un condensatore (con l altra armatura all infinito), di capacità pari a 4πε 0 e quindi di energia Q 2 2C. Si ottiene lo ovviamente stesso risultato integrando la densità di energia elettrostatica nel volume in cui c è campo elettrico: U E = 1 2 ε E 2 dτ = 1 0 2 ε Q 0 4πε 0 2 4π 2 d = 1 Q 2 (1.7) 2 4πε 0 L energia elettrostatica iniziale è così: U IN = 1 2 Q 0 + 1 2 Q 0 = Q 2 0 1 + 1 2 4πε 0 1 2 4πε 0 2 8πε 0 1 2 = 2.4 106 J (1.8) e quella finale: U FIN = 1 2 Q 1 + 1 2 Q 2 = 1 2 Q 1 + Q 2 2 2 4πε 0 1 2 4πε 0 2 8πε 0 1 = 1.8 106 J (1.9) da cui U DISS = U FIN U IN = 600KJ. 2 2
Problema 2. Un conduttore sferico cavo di raggio interno 2 =2cm e raggio esterno 3 =3cm ha una carica pari a Q 0 =3*10-4 C. All interno viene posto un conduttore sferico di raggio 1 =1cm, con un ulteriore carica pari a Q 0. Ad una distanza L=3m dal centro dei conduttori è posta una piccola carica puntiforme q 0 =-2*10-7 C. x q 0 1. Calcolare la forza esercitata sulla carica q 0 2. La carica q o viene portata all infinito, quale è stato il lavoro compiuto dalle forze elettrostatiche? In seguito i due conduttori vengono connessi con un filo metallico. 3. Quali sono le cariche Q 1 e Q 2 che si misurano alla fine sulle sfere? 4. Quale è l energia dissipata nel processo? La carica sulle superfici di raggio 1, 2 ed 3 è rispettivamente Q 0, -Q 0 (indotta) e 2Q 0 (composta da Q 0 indotta più Q 0 nativa). La distanza tra q 0 ed i conduttori è grande rispetto al loro diametro, e q 0 è piccola rispetto a Q 0. L effetto di induzione elettrostatica è perciò trascurabile e le distribuzioni di carica sui conduttori possono considerarsi in buona approssimazione sferiche uniformi. La carica q 0 vedrà il campo generato da una superficie sferica carica con carica 2 Q 0, equivalente a quello di una carica puntiforme: 2Q F = q 0 0 4πε 0 L 2 = 120mN u x (2.1) Il lavoro compiuto dalle forze elettrostatiche per portare la carica q 0 all infinito è pari a q 0 ( V IN V FIN )da cui, considerando il potenziale nullo all infinito: 2Q W = q 0 0 4πε 0 L = 360mJ (2.2) Connettendo le due sfere, la carica si ridistribuisce portandosi tutta sulla superficie esterna (quella di raggio 3 ). Quindi le cariche finali sulle due sfere saranno: Q 1 = 0 (2.3) Q 2 = 2Q 0 = 6 10 4 C
L energia elettrostatica del sistema è costituita dall energia del condensatore sferico Q 2 2C (tra le due sfere interna ed esterna) e dall energia del campo esterno. La capacità di un condensatore sferico è pari a: 1 C = 4πε 0 1 1 (2.4) 2 Poiché il campo elettrico esterno non varia cortocircuitando le due sfere, l unica variazione è quella relativa al campo interno: U IN = 1 2 Q 0 1 1 2 4πε 0 1 2 U = 0 FIN U DISS = 1 2 Q 0 1 1 (2.5) 2 4πε 0 1 2 = 20.25KJ 1
Problema 3. Nel centro di un conduttore sferico cavo, di raggio interno 1 = 10cm e raggio esterno 2 = 20cm, è contenuta una carica puntiforme q 1 = 3 10 5 C. 1 2 q 1 1. Scrivere le espressioni del campo e del potenziale nelle 3 regioni: r < 1, 1 <r < 2, r > 2. Una quantità di carica q 2 = 3q 1 viene portata da distanza infinita e aggiunta al conduttore. 2. Scrivere le nuove configurazioni di campo e potenziale nelle tre regioni. 3. Scrivere il lavoro fatto per portare la carica q 2 dall infinito al conduttore. Il campo elettrico nel conduttore ( 1 < r < 2 ) è nullo, mentre è quello della carica q 1 nelle due regioni r < 1 e r > 2 (sulle due superfici interna ed esterna del conduttore si inducono le cariche q 1 e q 1 rispettivamente). Pertanto: q E 1 1= 4πε 0 r, E = 0, E = q 1 2 2 3 4πε 0 r (3.1) 2 Il potenziale si può calcolare come somma dei potenziali delle tre distribuzioni di carica ( q 1 e le due cariche indotte sulle superfici del conduttore), con la usuale assunzione di potenziale nullo all infinito. Il potenziale risulterà costante dentro il conduttore: V 1 = q 1 4πε 0 r q 1 4πε 0 1 + q 1 4πε 0 2,V 2 = q 1 4πε 0 2,V 3 = q 1 4πε 0 r La carica q 2 va a modificare solo la carica sulla superficie esterna del conduttore. Il campo elettrico sarà pertanto diverso solo all esterno del conduttore, mentre varieranno i termini costanti del potenziale anche all interno (se si vuole mantenere la convenzione di potenziale nullo all infinito): (3.2) E 1= q 1 4πε 0 r 2, E 2 = 0, E 3 = q 1 + q 2 4πε 0 r 2 = 4q 1 4πε 0 r 2 (3.3) V 1 = q 1 4πε 0 r q 1 4πε 0 1 + q 1 + q 2 4πε 0 2 = q 1 4πε 0 r q 1 4πε 0 1 + q 1 πε 0 2 V 2 = q 1 πε 0 2,V 3 = q 1 πε 0 r (3.4)
Il lavoro fatto per portare la carica q 2 fino alla superficie del conduttore è pari alla variazione di energia elettrostatica del sistema (solamente quindi all esterno del conduttore). Può essere calcolata agevolmente ricordando che la capacità di un conduttore sferico è C = 4πε 0 e che il lavoro necessario a caricare una capacità èw = Q 2 2C. Si calcolerà quindi la differenza tra le energie elettrostatiche finale ed iniziale: W = 1 ( q 1 + q 2 ) 2 q 2 1 8πε 0 2 2 = 1 ( 4q 1 ) 2 q 2 1 8πε 0 2 2 = 15q 2 1 = 303.3J (3.5) 8πε 0 2
Problema 4. Due cariche puntiformi q 1 = +q e q 2 = q sono poste rispettivamente a x 1 = 1m e x 2 = 1m. Sul piano x = 0 (piano yz) è presente una densità di carica uniformeσ. Sapendo che q = 10 3 C e che E(x 3 = 2m,0,0) = 0 calcolare: 1. La densità di carica σ 2. Il lavoro fatto dalle forze elettrostatiche per portare una carica q 0 = 10 4 C da x 3 alla parte opposta x 4 = x 3 σ x 4 +q x 1 -q x 2 x 3 x Il campo elettrico nel punto x 3 è la soma dei campi generati dalle due cariche e di quello della distribuzione piana: E( x 3 ) = 1 q 1 4πε 0 x 3 x 1 ( ) 2 + 1 da cui si ricava la densità di carica incognita: 1 q 4πε 0 ( 2 + 1) 1 2 4πε 0 ( ) + σ 2 2ε 0 q 2 4πε 0 x 3 x 2 q ( 2 1) + σ = 0 2 2ε 0 q 1 4πε 0 9 q + σ = q 8 4πε 0 2ε 0 4πε 0 9 + σ = 0 2ε 0 σ 2ε 0 = q 8 4πε 0 9 u x = 0 (4.1) σ = 4q 9π = 141.5 10 6 C m 2 Nel calcolare il lavoro, si può trascurare quello fatto dal campo generato dalla carica piana per simmetria, si considerano quindi solo le differenze di potenziale delle due cariche puntiformi: (4.2)
( ) W = q 0 ΔV = q 0 V IN V FIN V IN = 1 4πε 0 V FIN = 1 4πε 0 q 2 1 + q 2 + 1 q 2 + 1 + q 2 1 = 1 q + q 4πε 0 3 = 1 q 4πε 0 3 + q W = q 0 ( V IN V FIN ) = q 0 q + q 4πε 0 3 + q 3 q W = q 0 2q + 2 4πε 0 3 q = q 0 4 4πε 0 3 q = q q 0 = 1.2 10 3 J 3πε 0 (4.3)
Problema 5. Due fili isolanti molto lunghi, carichi positivamente con densità di carica uniforme λ = 8nC / m si incrociano ad angolo retto. Una particella di carica positiva q = 2µC e massa m = 1.2g si trova inizialmente ferma nella posizione P(x 1 = y 1 = 0.1m). Calcolare 1. L intensità del campo elettrico generato dalla coppia di fili nel punto P 2. La forza che la particella subisce nel punto P 3. La velocità della particella dopo che ha percorso la distanza d = 0.75m + + + + + + + + + + q + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Il campo elettrico nel punto P è la somma vettoriale dei due campi generati dalle distribuzioni lineari di carica, ed è diretto lungo la bisettrice degli assi: λ E x = 2πε 0 x = E y (5.1) λ E = 2 = 2034V m 2πε 0 x La forza che agisce sulla carica è dunque: F = qe = 4 10 3 N (5.2) La velocità finale della carica può essere calcolata dalla variazione di energia cinetica, e quindi dal lavoro fornito dalle forze elettrostatiche. Nel calcolo bisogna tener conto che il campo, e quindi la forza, varia al variare della distanza dai fili lungo la traiettoria della carica:
x 1 2 2 mv2 = W E = q λ 2 x 2 2dx = q λ 2πε 0 x πε 0 x dx = qλ ln x 2 πε 0 x 1 = 0.1m x 2 = 0.75 2 + x 1 = 0.63m W E = 1.059mJ v = 1.33m / s x 1 x 1 x 1 (5.3)
Problema 6. Un cilindro conduttore ha diametro esterno D e lunghezza infinita. Sull asse del cilindro è posto un filo con densità di carica lineare λ=6.67*10-10 C/m. Sapendo che il campo elettrico misurato sulla superficie esterna del cilindro è E s = 120V m, determinare: 1. Il diametro esterno D del cilindro e la densità di carica indotta sulla sua superficie esterna 2. La forza che agisce su una carica di prova q=10-4 C posta all esterno del cilindro, ad una distanza =88 cm dall asse. E s La carica indotta sulla superficie di un tratto di cilindro è la stessa che c è nella sezione di filo all interno: Q = λl = σπ Dl (6.1) quindi si può scrivere: σ = λ (6.2) π D Noto il campo elettrico sulla superficie si può determinare la densità di carica e quindi il diametro del cilindro: E S = σ λ = ε 0 ε 0 π D D = λ 6.67 10 10 = = 0.2m (6.3) πε 0 E S π 8.85 10 12 120 Il campo elettrico all esterno del cilindro conduttore (fino alla superficie esterna) è uguale a quello del filo rettilineo infinito: λ E = (6.4) 2πε 0 E pertanto la forza su una carica di prova vale: F = qe = q λ 2πε 0 = 10 4 6.67 10 10 2 π 8.85 10 12 0.88 = 1.36 10 3 N (6.5)
Problema 7. Tre lamine metalliche quadrate parallele, di lato L=120cm, sono poste a distanza h=1.1 cm una dall altra. Tra le lamine vi sono due sostanze dielettriche, con costanti dielettriche relative k 1 =2.1 e k 2 =1.7. Le due lamine esterne sono connesse ad un generatore che le mantiene alla tensione V 0 =120V. Determinare: k 1 k 2 V 0 1. Quale è la capacità totale del sistema. 2. Quanto vale il campo elettrico E 1 nel dielettrico 1. 3. Quale è la variazione di energia elettrostatica se i due dielettrici vengono estratti. Le due capacità C1 e C2 si possono considerare in serie. Hanno valori diversi a causa delle diverse costanti dielettriche: C 1 = ε k L 0 1 h C 2 = ε k L 0 2 h = 8.85 10 12 2.1 1.2 2 0.011 = 8.85 10 12 1.7 1.2 2 0.011 = 2.433nF = 1.97nF C = C C 1 2 = 1.089nF C 1 + C 2 Le due capacità in serie hanno la stessa carica Q, che è anche la carica della serie dei due. Questo fatto può essere usato per calcolare le tensioni su ciascun condensatore e quindi i campi elettrici: Q = CV = 1.098 10 9 120 = 1.307 10 7 C V 1 = Q C 1 = 1.307 10 7 C 2.433 10 9 = 53.7V E 1 = V 1 h = 4.88KV / m L energia elettrostatica iniziale vale: (7.1) (7.2) U I = 1 2 C I V 2 = 1 2 1.089 10 9 120 2 = 7.841 10 6 J (7.3) Togliendo i dielettrici varia la capacità del sistema, mentre il generatore mantiene la tensione costante, e quindi varia l energia accumulata:
C F = ε 0 L2 2h = 8.85 10 12 1.2 2 0.022 = 0.579nF U F = 1 2 C F V 2 = 1 2 0.58 10 9 120 2 = 4.171 10 6 J (7.4) ΔU = U F U I = 3.67 10 6 J
Problema 8. Un condensatore piano di superficie quadrata S=200 cm 2 e distanza tra le armature h=5mm viene caricato fino a raggiungere una differenza di potenziale tra le due armature di V 0 =1000V, e quindi isolato. Successivamente viene introdotto un blocco a forma di parallelepipedo con la superficie della stessa forma e dimensione di quella del condensatore. Il blocco è costituito da due strati entrambi di altezza h 1 =1mm, ma di materiale dielettrico con costante dielettrica k=3 il primo dal basso, e di materiale conduttore il secondo. Si chiede in tali condizioni: 1. La carica depositata sulle armature del condensatore 2. La capacità del condensatore 3. Il lavoro necessario ad estrarre il blocco La carica iniziale rimane invariata poiché il condensatore viene isolato: Q = C 0 V = ε SV 0 = 35.4 10 9 C,C h 0 = 35.4 pf (8.1) Il condensatore può essere visto come la somma di due condensatori in serie, con costanti dielettriche diverse: 1 C = 1 C a + 1 C b,c b = kε S 0 = 531pF,C h a = ε S 0 = 59 pf,c = 53.4 pf (8.2) 1 h 2h 1 Il lavoro per estrarre il blocco è pari alla differenza tra l energia accumulata nel condensatore senza e con il blocco inserito: E 2 = 1 2 Q 2 = 17.7µJ, E C 1 = 1 Q 2 0 2 C = 11.7µJ,W = 6µJ (8.3)
Problema 9. Due lastre metalliche piane, di superficie pari a 0.8 m 2, sono affacciate alla distanza h = 4mm e formano quindi un condensatore piano. Le due armature sono connesse ad un generatore di V h tensione con differenza di potenziale V. L armatura inferiore è fissa, quella superiore è mantenuta in equilibrio meccanico da una massa M= 0.8Kg, come da figura. Inizialmente non vi è dielettrico tra le armature. M 1. Calcolare, trascurando gli effetti di bordo, la capacità del condensatore. 2. Considerando trascurabili le masse delle lastre, della fune e della carrucola, calcolare la tensione V alla quale il sistema è in equilibrio. 3. Se tra le lastre, dopo aver bloccato la carrucola, viene successivamente inserito un dielettrico di spessore d = 2mm e costante dielettrica relativa k = 2.5, calcolare la nuova capacità. 4. In questa nuova condizione, determinare se è variata, e di quanto, la forza tra le armature. Soluzione Il condensatore ha capacità pari a: C = ε Σ 0 = 1.77nF (9.1) h La tensione deve bilanciare la forza di attrazione elettrostatica, che si calcola nota la pressione elettrostatica P = ε 0 E 2 2 : F = ε 0 E 2 V = 2 Σ = ε V 2 0 Σ = Mg = 7.95N 2 2h 2h2 Mg ε 0 Σ = 5.95KV Una volta inserito il dielettrico il condensatore si considera condensatori: 1 C = 1 + 1 = h d C 1 C 2 ε 0 Σ + d ε 0 kσ la serie di due C = 2.53nF A potenziale costante la carica aumenta al crescere della capacità, e quindi aumenta anche la forza: F = σ 2 (9.2) (9.3) 2ε 0 Σ = Q2 2Σε 0 = C 2 V 2 2Σε 0 = 14.1N (9.4)
Problema 10. Un elettrodo formato da un filo metallico di raggio 1 = 100µm è teso sull asse di un cilindro conduttore cavo di raggio interno 2 = 11.0mm. Il cilindro, lungo d=10 cm, è riempito di un gas con rigidità dielettrica pari a 2.2MV/m. 2 Considerando trascurabili gli effetti di bordo, determinare: d 1. Il lavoro compiuto per caricare gli elettrodi fino a 1000V; 2. La differenza di potenziale V M che si può applicare tra i due elettrodi per non avere scariche nel gas. Il sistema è un condensatore cilindrico, che ha capacità pari a: C = 2πε d 0 = 1.18pF (10.1) Il lavoro fatto per caricarlo è pertanto: ln 2 1 W = 1 2 CV 2 = 0.59µW (10.2) Il campo elettrico all interno del condensatore è quello di un filo rettilineo infinito con una densità di carica λ = Q d : E = λ 2πε 0 r Quindi E ha il valore più intenso sulla superficie del filo: E 1 = λ 2πε 0 1. Perchè non ci siano scariche il campo elettrico massimo non dovrà superare i 2.2M V m : (10.3) E 1 E MAX = 2.2M V m (10.4) La differenza di potenziale ai capi del condensatore (integrale del campo elettrico) vale: V = λ ln 2 (10.5) 2πε 0 1 E immediato quindi mettere in relazione la differenza di potenziale con il campo elettrico massimo, eliminando λ dalle (10.3) e (10.5). Si ottiene così la massima tensione applicabile al condensatore per non avere scariche: ΔV max = E max 1 ln 2 1 = 1034V (10.6)
Problema 11. V0 C Nel circuito in figura, con V 0 = 100V, = 5MΩ,C = 10µF, il condensatore è inizialmente scarico e l interruttore è aperto. Determinare dopo 50 secondi dall inizio della carica del condensatore (chiusura dell interruttore): 1. L energia dissipata su una delle resistenze. 2. L energia accumulata sul condensatore C. 3. L energia fornita dal generatore. Si tratta della carica di un condensatore attraverso una resistenza totale pari a 2, quindi con la costante di tempo τ = 2C. La corrente durante la fase di carica vale: i = V 0 2 e t 2 C (11.1) e la tensione ai capi del condensatore vale: V C = V 0 1 e t 2 C (11.2) Dopo 50 secondi di carica la tensione sul condensatore varrà quindi: V C = V 0 1 e 50 2 C = 393.5V (11.3) La carica totale sul condensatore è: Q = CV C = 10 10 6 393.5 = 3.93mC (11.4) Il lavoro fatto dal generatore per far transitare questa carica attraverso la FEM costante V 0 è: W GEN = V 0 Q = V 0 V C C = 3.93J (11.5) L energia accumulata sul condensatore è pari a CV 2 2. Nota che negli istanti intermedi non vale la relazione che vede l energia dissipata essere esattamente uguale a quella accumulata nel condensatore: Infine, considerando il bilancio energetico: W C = 1 2 CV 2 = 0.774J (11.6) C
W GEN = W + W + W C W = W GEN W C 2 = 3.93 W C 2 = 1.58J (11.7)
Problema 12. Una bolla di sapone di raggio r = 7cm è caricata con una carica superficialeσ = 3.2 10 6 C m 2. 1. Calcolare la pressione elettrostatica che agisce sulla superficie della bolla La bolla è immersa in un condensatore piano di capacità C = 2nF, con le armature distanti d = 20cm. Si osserva che perchè la bolla stia ferma al centro del condensatore è necessario portarlo ad una tensionev 1 = 0.1V. 2. Calcolare la massa della bolla. Se il condensatore viene caricato da un generatore con tensione V 0 = 0.15V attraverso una resistenza = 2KΩ, determinare: 3. Dopo quanto tempo il condensatore raggiunge la tensione V 1 4. Quale è il lavoro fatto dal generatore in questo tempo. Vo 0 d La pressione elettrostatica è data da: P = σ 2 2ε 0 = 3.2 10 6 ( ) 2 2 8.85 10 = 0.58 N 12 m2 (12.1) Perchè la bolla carica stia in equilibrio la forza elettrostatica deve bilanciare la forza peso. Nota la distanza tra le armature e la tensione, si calcola il campo elettrico all interno del condensatore e quindi la forza che esso esercita sulla carica: q = σ 4πr 2 F = mg = qe = q V h (12.2) m = σ 4πr2 V = 1 10 8 Kg hg Il condensatore si carica attraverso la resistenza con la nota relazione esponenziale: V 1 = V 0 1 e t C t = C ln 1 V (12.3) 1 = 4.39µs V 0
Nota la carica accumulata sul condensatore, e quindi transitata attraverso il circuito, il lavoro fatto dal generatore è: W = qv 0 = CV 1 V 0 = 3 10 11 J (12.4)
Problema 13. Un condensatore piano di superficie Σ = 1m 2, le cui armature distano tra loro d = 8.82mm si trova in vuoto ed è connesso ad un generatore di forza elettromotrice V 0 = 10V attraverso un interruttore (1) che rimane chiuso solo per un tempo t = 1µs e da 3 resistenze uguali 3 = 4 = 5 = 2KΩ, disposte come in figura. Calcolare: 1) la tensione V e la carica Q del condensatore dopo il processo di carica 2) Il lavoro W fatto dal generatore durante la carica e l'energia elettrostatica U immagazzinata nella capacità 3) Il campo elettrico E nel condensatore 1 3 (1) C (2) A 2 4 5 V B Il condensatore, così caricato, viene successivamente connesso tramite l'interrutore (2) ad un secondo circuito formato da 2 resistenze uguali 1 = 2 = 1KΩ e disposte come in figura. Calcolare: 4) la corrente sulle 2 resistenze quando t = 3.5µs 5) la differenza di potenziale V(A)-V(B) nell'istante t = 3.5µs 6) l'energia totale dissipata durante la scarica fino a t = 3.5µs 7) la potenza dissipata su ciascuna delle 2 resistenze quando t = 3.5µs La capacità del condensatore è: C = ε Σ 0 = 1nF (13.1) d Poichè il ramo (2) del circuito è aperto, questo non entra nella fase di carica; la resistenza in fase di carica è: EQ = 3 + 4 5 4 + 5 = 3KΩ τ 1 = EQ C = 3µs (13.2) Dopo 1µs il condensatore non è quindi completamente carico:
V C,1 = V 0 1 e t τ 1 = 2.83V,Q = CV = 2.83nC (13.3) 1 C,1 Il lavoro fatto dal generatore, visto che attraverso di esso è fluita la carica Q 1, è semplicemente: W GEN = Q 1 V 0 = 28.3nJ (13.4) Mentre l energia accumulata nella capacità è: U e = 1 2 CV 2 C,1 Nota bene che W GEN = Q 1 V 0 = CV C,1 V 0 è diverso da 2U E = CV C,1 condensatore vale: = Q 2 1 = 4nJ (13.5) 2C 2. Il campo elettrico nel E = V C,1 = 320.9V / m (13.6) d Durante la fase di scarica l interruttore (1) è aperto metre (2) è chiuso. Entrano quindi in gioco solo le resistenze 1 e 2. Si avrà una nuova costante di tempo: τ 2 = ( 1 + 2 )C = 2µs (13.7) e dopo un tempo t = 3.5µs varrà: t t V C,2 = V C,1 e τ 2,i = V C,1 e τ 2 = 246µ A (13.8) 1 + 2 Nota la corrente, è immediato calcolare la differenza di tensione ai capi di una delle resistenze: V A V B = 2 i = 246mV (13.9) L energia dissipata in questa fase del processo si può calcolare dalla variazione dell energia accumulata nel condensatore: E DISS = 1 2 CV 2 1 C,1 2 CV 2 = 1 C,2 2 CV 2 1 e 2t τ 1 1 = 3.88nJ (13.10) Infine la potenza dissipata sulla resistenza, nota la corrente all istante t, vale: P 1 = P 2 = i 2 = 60µW (13.11)
Problema 14. Una spira conduttrice, a forma di esagono regolare di lato 2L=20 cm, è percorsa da una corrente i=12 A. Determinare: 1. la FEM necessaria a mantenere la corrente, sapendo che la spira è composta da un filo di rame di diametro d=1 mm 2. Il campo magnetico B generato al centro della spira. 2L h La resistenza del filo è proporzionale alla resistività ed alla lunghezza, ed inversamente proporzionale alla sezione: = ρ 6 2L = 1.67 10 8 6 0.2 = 25.5mΩ (14.1) π d 2 π 0.0005 2 2 Nota la corrente, dalla legge di Ohm si ricava la tensione ai capi della spira: V = I = 25.5 10 3 12 = 306mV (14.2) E noto il campo magnetico generato da un elemento di filo rettilineo, a distanza h dal centro del filo. I sei lati della spira producono al centro un campo magnetico (entrante nel foglio) che è la somma delle 6 componenti: µ B = 6 0 il µ = 0 6iL = µ 6iL 0 2πh h 2 + L 2 2π L 3 3L 2 + L 2 4π L 2 3 B = 4π 10 7 2π L 3i = 4 10 7 3i 2L = 4.16 10 5 T (14.3)
Problema 15. Una sottile lamina conduttrice infinita è percorsa da una densità di corrente j L = 1.2 A m. Lungo un filo rettilineo infinito, disposto parallelamente alla lamina ad una distanza h = 1.5m, passa una corrente i F = 2A, nella stessa direzione e verso della corrente sulla lamina. i f h j l Calcolare: 1. La forza esercitata sul filo per unità di lunghezza. 2. La distanza y dalla lamina in cui il campo magnetico totale e nullo. E nota la formula per il campo magnetico generato da una lamina infinita percorsa da una densità di corrente ( B L = µ j 0 L ). Poiché il campo magnetico generato dalla 2 lamina è ortogonale al filo, la forza esercitata su un elementino di filo si può scrivere: df = i F B L ds (15.1) e quindi la forza per unità di lunghezza vale: df ds = i B = µ j i 0 L F F L 2 = 1.26 10 6 1.2 2 2 = 1.5 10 6 N / m (15.2) I campi magnetici generati da filo ( B F = µ i 0 F ) e lamina sono discordi tra filo e 2πr lamina, sono invece concordi al di sopra del filo, ed al di sotto della lamina. Il punto in cui si annullano sarà pertanto tra il filo e la lamina. Uguagliando i moduli dei campi, si ottiene: B L = µ 0 j L 2 = µ 0 i F 2πr = B F r = i F π j L = 0.53m y = h r = 1.5 0.53 = 0.97m (15.3)
Problema 16. P2 x z y P1 d d Tre conduttori rettilinei paralleli e di lunghezza infinita giacciono sullo stesso piano xy, con il conduttore centrale che coincide con l asse x. La distanza tra i conduttori contigui è d=10 cm. Il conduttore centrale è percorso da una corrente costante i 1 =1 A, nel verso delle x crescenti, mentre i due conduttori laterali sono percorsi ciascuno da una corrente i 2 =5/4 A nel verso opposto. Determinare: 1. Il campo magnetico generato dai conduttori nel punto P 1 di coordinate (0,2d,0). 2. Il campo magnetico generato dai conduttori nel punto P 2 di coordinate (0,0,2d). 3. La forza per unità di lunghezza agente sul conduttore centrale. Il campo magnetico in P 1 ha sole componenti z, positiva quella generate dal filo centrale e negative le altre due: µ B z = 0 i 1 µ 0 2π 2d 2π d 2π 3d 12 πd = 2.3 10 6 T (16.1) ( ) µ i 0 2 ( ) µ i 0 2 ( ) = 7 B x = B z = 0 Invece in P 2 il capo generato dal filo centrale è orizzontale (in direzione y), gli altri hanno sia componenti y che z, essendo tangenti a circonferenze centrate sui fili. Le componenti z hanno peraltro somma nulla: 2 B y = µ i 2µ 0 i 2 0 1 5 2π 2d 2π 5d 2π 2d 2π 5d 4πd + 2µ 0 4πd ( ) + 2µ 0 i 2 cosϑ ( ) = µ 0i 1 ( ) + ( ) = µ 0 B y = µ 0 4πd = 10 6 T B x = 0 ( ) ( ) = 0 B z = µ i senϑ µ 0 2 0i 2senϑ 2π 5d 2π 5d (16.2)
La forza sul conduttore centrale non può che essere nulla data la simmetria del problema.
Problema 17. Una spira quadrata di lato l = 10cm è disposta con due lati paralleli ad un campo magnetico uniforme B = 2.1T. La spira è alimentata da un generatore di tensione V 0 che, applicato alla spira, genera una corrente i = 1.3A. Calcolare: i u n B 1. Il momento delle forze che si esercitano sulla spira. Se, mantenendo lo stesso generatore di tensione V 0, ed utilizzando lo stesso tipo di filo si costruisce una bobina di ugual lato ma composta da 10 spire: 2. Quanto vale il nuovo momento delle forze? Soluzioni: Il momento delle forze si calcola a partire dal momento magnetico della spira: M = m B = il 2 un B = il 2 B = 1.3 0.1 2 2.1 = 27.3 10 3 N m (17.1) Mantenendo la stessa FEM ma aumentando il numero di spire, la corrente che circola diminuirà perchè è aumentata la resistenza del circuito. In compenso all aumentare delle spire aumenta il momento magnetico, ed i due effetti si compensano: V 0 = i = 'i' ' = N i' = i N m' = Ni'l 2 = N i N l 2 = m (17.2) M ' = M = 27.3mN
Problema 18. Tre fili conduttori rettilinei paralleli e nello stesso piano sono disposti a distanza d=10cm.una spira quadrata di lato L=20cm giace nel piano dei fili, anch essa a distanza d=10cm (vedi figura). La spira ha una resistenza. I tre fili sono percorsi dalle correnti i 1,i 2,i 3 definite nella figura. i 1 = 100A i 1 i 2 i 3 i 2 = i 0 e t τ con i o = 300A e τ = 10s i 3 = 200A d = 10cm L = 2d = 20cm Calcolare: d d d y x 2d A 1. Il campo magnetico nel punto A (centro spira) dovuto ai tre fili al tempo t=0. 2. La forza per unità di lunghezza sul filo 3, al tempo t=0 (l apporto della spira è trascurabile). 3. La resistenza della spira, sapendo che al tempo t=0 la corrente indotta vale i s = 5.5x10-7 A. 4. La carica che è circolata nella spira da t=0 a t= 5. La risultante delle forze sulla spira a t= Consideriamo l asse z uscente dal foglio. Le correnti sui fili 1 e 3 generano un campo magnetico entrante, quelle sul filo 2 un campo uscente dal foglio. Il campo magnetico in A è dato da: B A = µ i 0 1 2π 4d + µ i 0 2 2π3d µ i 0 3 2π 2d = µ 4i 0 2 3i 1 6i 3 2π 12d u z (18.1) 1200 300 1200 B A = 2 10 7 1.2 = 5 10 5 Tu z Per calcolare la forza sul filo 3 è necessario calcolare il campo sul filo, generato da 1 e 2 (il testo dell esercizio afferma che il campo magnetico generato dalle correnti indotte sulla spira è trascurabile a questo riguardo). B 3 = µ i 0 1 u 2π 2d z + µ i 0 2 u 2πd z = µ 2i 0 2 i 1 2π 2d u z (18.2) 600 100 B 3 = 2 10 7 0.2 = 5 10 4 Tu z La forza per metro sul filo, ortogonale al filo ed al campo, è data quindi da:
F 3 = i 3 B 3 = i 3 B ux 3 = 200 5 10 4 = 0.1 N u m x (18.3) L unico campo magnetico variabile è quello generato dal filo 2, solo questo contribuisce alla variazione del flusso attraverso la spira e quindi alla FEM indotta. I campi dovuti ai fili 1 e 3 si possono quindi omettere. E importante notare che il campo magnetico varia attraverso la spira, il flusso va quindi calcolato come integrale sulla spira: 4d µ φ(b 2 ) = 2d 0 i 2 dr = 2dµ i ln(2) 0 2 (18.4) 2d 2πr 2π La FEM sulla spira si calcola dalla legge di Faraday-Lenz: FEM = dφ B dt nota la corrente indotta, la resistenza sarà:, ed infine, = 1 dφ i s dt = 2dµ i e t τ ln(2) 0 0 = 2 0.1 2 10 7 300 ln(2) = 1.5Ω (18.5) 2πi s τ 5.5 10 7 10 La carica che e circolata nella spira può essere calcolata integrando la corrente indotta sulla spira nel tempo. L andamento temporale della FEM indotta, e quindi anche della corrente indotta, è pari a e t τ, essendo noto il valore iniziale della corrente è immediato scrivere i s (t) = i s (0)e t τ. Si ottiene: Q = i s0 e t τ dt = τi s0 = 5.5 10 6 C (18.6) 0 In alternativa, noto il flusso iniziale, ed osservando che per t il flusso si annulla (sempre omettendo i termini costanti dovuti ai fili 1 e 3) si può utilizzare le legge di Felici. Infine, visto l andamento esponenzialmente decrescente della corrente i 2, per t la corrente indotta sulla spira si annulla, e quindi anche la forza sulla spira vale F=0.
Problema 19. Una spira quadrata rigida, di lato l = 12 cm e resistenza = 25 Ohm, viene trascinata con velocità orizzontale, che rimane sempre costante, v=3 m/s. L spira entra in una zona di larghezza d>l in cui vi è un campo magnetico B = 4.5 T, ortogonale alla spira ed entrante nel piano del disegno. l v d B Determinare: 1. Il verso della corrente indotta nella spira nelle varie fasi del moto. 2. In quali regioni agisce una forza sulla spira, il suo verso ed intensità. 3. L energia totale dissipata nella resistenza dopo che la spira è completamente uscita dalla zona con campo magnetico. 4. Quale è la carica che globalmente ha fluito lungo la spira. Soluzione La corrente indotta dovrà generare un campo magnetico opposto a quello dato quando la spira sta entrando (per opporsi all aumento di flusso) e di verso opposto quando la spira esce. Quindi il verso è antiorario prima e orario poi, la corrente indotta vale: i = Blv (19.1) La forza agisce quando la spira entra ed esce, sempre opposta alla velocità: F = B2 l 2 v u v = 35mN (19.2) L energia dissipata è uguale al lavoro fatto dalle forze esterne che bilanciano la forza (19.2) per mantenere costante la velocità: W = 2F l = 2 B2 l 2 v l = 8.4mJ (19.3) Il flusso di B iniziale e finale sono nulli (spira fuori dal campo magnetico) e perciò, secondo la legge di Felici, l integrale della carica è uguale a 0.
Problema 20. Una sbarretta conduttrice di massa m=5g e di lunghezza l=25cm scorre liberamente su due binari orizzontali ai quali è elettricamente connessa. I due binari sono connessi tra di loro da una resistenza =15Ω. Per un tratto di lunghezza L=40cm i binari sono attraversati da un campo magnetico B=2.5T diretto verticalmente. La sbarretta arriva al tempo t=0 nella zona con campo magnetico con una velocità v 0 =2.5m/s. v 0 B 1. Quanta corrente fluisce nella barretta subito dopo tale istante? 2. Quanta carica è fluita nel circuito sbarretta-rotaie-resistenza quando la sbarretta esce dalla zona con campo magnetico? 3. Quale è la velocità di uscita della barretta? La FEM generata nel circuito è pari a Bv 0 l, pertanto la corrente indotta è: I 0 = Blv 0 = 0.104A (20.1) Quando la sbarra ha superato la zona con campo magnetico, il flusso di B attraverso il circuito è variato di una quantità Δφ = L l B. Utilizzando la legge di Felici si ottiene: Q TOT = Δφ = 0.017C (20.2) La forza di frenamento che agisce sulla barretta vale: F = m dv dt = B2 l 2 v (20.3) che è pertanto funzione della velocità. Conviene scrivere la forza in funzione della posizione: m dv dt = m dv dx dv = mv dx dt dx = B2 l 2 v dv dx = B2 l 2 (20.4) m v = v 0 B2 l 2 m x
La velocità di uscita si ottiene quando la sbarretta ha percorso tutta la zona ove è presente il campo magnetico: v L = v 0 B2 l 2 m L = 0.42m / s.
Problema 21. In un piano inclinato di angolo α=30 0 sono poste due rotaie parallele, distanti l=10cm, di resistenza elettrica trascurabile e connesse elettricamente tra loro alla sommità. Su di esse può scorrere senza attrito una sbarretta conduttrice ab, di massa m=10g e resistenza elettrica =0.1Ω. Il tutto è immerso in un campo magnetico uniforme e costante, diretto verticalmente, di modulo B=0.5T. Ad un certo istante la sbarretta ab viene lasciata libera di scivolare lungo il piano inclinato. Calcolare: 1. La forza elettromotrice indotta nella sbarretta ab, e a corrente indotta nella spira individuata dal sistema rotaie-sbarretta, in funzione della velocità della sbarretta. 2. La velocità limite (se esiste) della sbarretta nel suo moto di scivolamento. B v ab α Il moto di discesa della sbarretta determina una variazione di flusso del campo magnetico attraverso la spira, e quindi una FEM indotta. Nel calcolo del flusso occorre osservare che il campo magnetico non è normale al piano della spira: φ B = lbxcosα FEM = dφ B = lbvcosα = 3 v = 0.0433v[V ] (21.1) dt 40 La corrente indotta (si trascurano come usuale gli effetti di autoinduzione) è pertanto: i = FEM = 3 v[a] (21.2) 4 La velocità limite si otterrà quando la componente lungo il piano della forza di frenamento elettromagnetico bilancerà la componente lungo il piano della forza peso: ma = mg sinα + ilbcosα = 0 mg sinα = l 2 B 2 v lim cos 2 α v lim = gm (21.3) sinα l 2 B 2 cos 2 α = 2.62 m s
Problema 22. Una spira di forma quadrata di lato L=1m ruota attorno ad un asse orizzontale con una velocità angolare ω = 2π rad/sec (vedi figura). La spira è immersa in un campo magnetico uniforme B=2Tesla diretto lungo l'asse z, ortogonale all asse della spira. La spira, di resistenza trascurabile è connessa ad una resistenza di carico =0.2 Ω. θ ω L B L Calcolare: 1. La corrente che circola nella spira in funzione del tempo. 2. Il momento massimo che agisce sulla spira. 3. L'energia dissipata sulla resistenza in 10 secondi. 4. La somma in valore assoluto delle cariche che circolano nella spira in 10 secondi. Soluzione Il flusso di B attraverso la spira è Φ(B) = BL 2 cos(α) = BL 2 cos(ωt). La corrente indotta è pertanto: i = FEM = 1 Φ(B) = ω Bl 2 senωt t icordiamo che il lavoro fatto dal momento che agisce sulla spira è dw = Mdϑ, e quindi la potenza spesa è pari a M dϑ = Mω. Poiché la potenza si ritrova in potenza dt elettrica (spesa sulla resistenza) si scriverà: = 62.83 sen( 2πt) (22.1) M = P ω = i2 ω = ω B2 l 4 sen 2 ωt M max = ω B2 l 4 = 125.6Nm (22.2) Si ottiene lo stesso risultato ricordando che il momento su una spira si può scrivere M = m B dove per una spira piana m = iσu N. L energia dissipata è l integrale della potenza nei 10 secondi. L integrale di sen 2 (ωt) in un periodo è pari a T/2, e poiché il periodo di rotazione della spira è di un secondo vale: 10 W = i 2 dt = ω 2 B 2 l 4 10 sen 2 ( ωt)dt 0 = ω 2 B 2 l 4 5 = 3.95KJ (22.3) 0
Se consideriamo la carica con il segno, dopo un numero intero di giri la carica totale che è circolata è nulla: dalla legge di Felici, visto che il moto è periodico e quindi il flusso finale è uguale a quello iniziale Q = Φ Φ 1 2 = 0 (22.4) Il problema però chiede quale è il la somma delle cariche fluite, prese in valore assoluto. Ogni mezzo giro, il flusso si inverte, quindi usando ancora Felici si può scrivere: Bl 2 ( Bl ) ( 2 Q = 10 + Bl ) 2 Bl 2 2 Bl = 40 = 400C (22.5)
Problema 23. Una barra conduttrice, di massa m=100g e resistenza =500Ω, appoggia senza attrito su due binari orizzontali di resistenza trascurabile. La distanza tra i binari è l=40cm e il sistema è immerso in un campo magnetico uniforme B=0.8T, perpendicolare ai binari ed alla barra (entrante nel foglio, vedi figura). All istante t=0 la barra è ferma e tra i binari viene posto un generatore (V A -V B >0). A B Se il generatore fornisce una corrente costante i 0 =0.2A calcolare: 1. In che direzione si muove la sbarra 2. La velocità della sbarra al tempo t 1 =15s 3. Il lavoro fatto dal generatore fino al tempo t 1 Se invece il generatore fornisce una FEM costante pari a V 0 = 8V calcolare 4. La velocità limite della sbarra 5. La potenza fornita dal generatore alla velocità limite La corrente gira in senso orario, quindi è diretta verso il basso lungo la barretta mobile. Il campo magnetico è entrante nel foglio, e quindi la forza F = il B è diretta verso destra. Poiché il generatore mantiene la corrente costante la forza è costante, e quindi si tratta di un moto uniformemente accelerato: F = ilb = m dv dt v = ilb 0.2 0.4 0.8 t = 15 = 9.6m / s (23.1) m 0.1 Nota che per mantenere la corrente costante il generatore dovrà contrastare la FEM indotta dal movimento della sbarretta, e quindi dovrà generare una FEM crescente nel tempo. Il lavoro fatto dal generatore sarà pari all energia cinetica acquistata dalla sbarretta, più l energia dissipata sulla resistenza. Essendo la corrente costante, la potenza dissipata è costante ( i 2 ), si otterrà: W = i 2 t + 1 2 mv2 = 305J (23.2) Se invece di una corrente costante il generatore fornisce una tensione costante, il moto non sarà più uniformemente accelerato poichè al crescere della velocità della sbarretta cresce la FEM indotta nel circuito. La FEM indotta è pari a: ( ) FEM = dφ B dt = lb dx dt = lbv (23.3)
La velocità limite si avrà quando la FEM indotta raggiunge la tensione del generatore, da quel momento infatti non circola più corrente nel circuito, e quindi la sbarretta non è più soggetta a forze esterne: V 0 v LIM lb = 0 v LIM = V 0 lb = 8 = 25m / s (23.4) 0.4 0.8 Alla velocità limite non circola più corrente, quindi la potenza fornita dal generatore è: P GEN = V 0 i = 0 (23.5)
Problema 24. Una spira rettangolare di altezza L=160cm e larghezza L/2 si muove con velocità costante v=12m/s, entra in una regione in cui è presente un campo magnetico B=6T, ortogonale alla spira, la attraversa completamente ed esce. La regione con campo magnetico è profonda h=30cm. Determinare: 1. La corrente indotta mentre la spira entra nella regione con campo magnetico, se la resistenza è =20Ω. 2. Il lavoro fatto dalla forza che trascina la spira fino che questa è uscita completamente. 3. Il valore assoluto della carica che ha percorso la spira quando la spira è a cavallo della regione con campo magnetico. L v B L/2 h La forza motrice indotta, calcolabile dalla variazione del flusso, vale: FEM = vbl (24.1) La corrente indotta è quindi: i = FEM i = vbl 12 6 1.6 = = 5.76A (24.2) 20 La forza che agisce sulla spira, quando vi è variazione di flusso e quindi corrente indotta, è: F = ibl = vb2 L 2 (24.3) Essa agisce essenzialmente sul ramo verticale della spira che si trova immerso nel campo magnetico. Ciò avviene due volte, quando il primo dei tratti verticali entra nel campo magnetico e quando il secondo ne esce. In tutte le altre posizioni (spira a sinistra o a destra della regione con campo magnetico, ed anche spira a cavallo della stessa regione) il flusso di B è costante e non vi né FEM indotta né forza. La forza fa perciò lavoro per due tratti di lunghezza pari ad h: W = 2 Fh = 2vB2 L 2 h = 2 12 62 1.6 2 0.3 = 33.178J (24.4) 20 La carica si calcola con la legge di Felici, dalla variazione di flusso:
Q = φ 1 φ 2 = 0 BhL = 6 0.3 1.6 20 = 0.144C (24.5)
Problema 25. Una spira quadrata di lato L=120cm si muove con velocità costante v=10m/s, entra in una regione in cui e presente un campo magnetico B=Kx, con K=11T/m, ortogonale alla spira, la attraversa completamente ed esce. La regione con campo magnetico è lunga la metà della spira (h=60cm). Determinare: 1. La resistenza della spira se la corrente indotta quando il primo lato della spira ha percorso completamente la zona con campo magnetico (x=60cm) è di 1.2A. 2. Il lavoro totale fatto dalla forza che trascina la spira. 3. Il valore totale della carica che ha percorso la spira dopo che questa è uscita. v B L 0 x Il problema è analogo al precedente, con la differenza che il campo magnetico non è costante, pertanto la FEM indotta dipende dalla posizione della spira. In ogni caso l unico tratto su cui si genera una differenza di potenziale è quello verticale quando transita all interno del campo magnetico ( ΔV = vbl ). Perciò: FEM = vbl = vkxl (25.1) Nella posizione indicata nella domanda ( x = h ) si ottiene pertanto: i = FEM = vkhl 10 11 0.6 1.2 = = 66Ω (25.2) i 1.2 Nell espressione della forza, sia la corrente indotta che il campo magnetico dipendono da x: e pertanto h F = ibl = vkxl kx L = vk 2 L 2 x 2 (25.3) W = 2 vk 2 L 2 x 2 dx = 2vk 2 L 2 h 3 = 2 10 112 1.2 2 0.6 3 = 38J (25.4) 3 3 66 0 Infine, il flusso finale (dopo che la spira è uscita completamente) è nullo come quello iniziale. Dalla legge di Felici: Q = φ 1 φ 2 = 0 (25.5)
Problema 26. Una sbarra conduttrice si appoggia a due rotaie conduttrici disposte a 30, come da disegno. La sbarra, partendo dal punto di incrocio delle rotaie, viene fatta muovere con velocità costante v rimanendo perpendicolare ad una delle due rotaie. Perpendicolarmente al piano delle rotaie è presente un campo magnetico B=1.2T, uscente rispetto al disegno. 1. Se la FEM misurata nel circuito quando la sbarra si trova nella posizione x 1 =0.6 rispetto all incrocio delle rotaie è pari a 0.2V, determinare la velocità della sbarra. 2. Se le rotaie e la sbarra sono costituite da filo di rame di raggio 0.05mm, calcolare il modulo della forza che agisce sulla sbarra nella posizione x 1. 3. Calcolare il modulo della carica che ha attraversato il circuito durante il movimento della sbarra fino al punto x 1. 4. Calcolare il lavoro fatto dalla forza che trascina la sbarra nel tratto da 0 a x 1. 30 v B x 1 Calcolo il flusso attraverso la spira triangolare con la sbarra ad un generico punto x: φ = 1 2 x x 3 B = x2 B (26.1) 2 3 derivando il flusso rispetto al tempo, si ottiene la FEM in funzione della velocità, e da questa la velocità: FEM = d x 2 B dt 2 3 = 2xB dx 2 3 dt = xvb 3 (26.2) v = 3 FEM = 0.48m / s xb La resistenza della spira con la sbarra in posizione x 1 è:
= ρl Σ L = x + x 3 + 2 x 3 = 3 + 3 3 x 1 = 1.64m = 3 + 3 3 x ρ 1 Ξ = 1.68 10 8 1.64 π 50 10 6 ( ) 2 = 3.5Ω nota la resistenza calcolo la corrente circolante e quindi la forza sulla sbarra: i = FEM = xvb 3 3 3 + 3 F 1 = ib x 1 3 = 0.024N ( ) x Σ ρ = vbσ ρ( 3 + 3) = 57mA (costante) (26.3) (26.4) Nota (26.4) che la corrente è costante (non dipende dalla posizione della sbarretta) in quanto sia la FEM che la resistenza crescono linearmente con x. Poiché la resistenza varia non si può applicare la legge di Felici per calcolare la carica. Ma a corrente costante vale Q = i t, e il tempo è facile da calcolare a velocità costante. t 1 = x 1 v Q 1 = i x (26.5) 1 v = 71mC Infine per calcolare il lavoro dovrò integrare la forza, che non è costante, per lo spostamento effettuato. La forza che trascina la sbarra deve bilanciare esattamente la forza di frenamento magnetico. Infatti la velocità della sbarra è costante, e quindi la risultante delle forze ad essa applicata deve essere nulla. La forza di frenamento magnetico dipende dalla corrente nel circuito, e dalla lunghezza della sbarra. La corrente nel circuito è come abbiamo visto costante, quindi la forza varia solo con la lunghezza attiva della sbarra, e il lavoro è: F = ib x 3 x 1 W = ib x 3 dx = ibx 1 0 2 3 2 = 7.1mW (26.6)
Problema 27. Un solenoide superconduttore ( di resistenza nulla) cilindrico, di altezza h=10m e di raggio r=2.5cm, è costruito con n=1000 spire per metro. Il rapporto lunghezza/diametro è tale che il campo B nel solenoide può essere considerato con ottima approssimazione quello di un solenoide infinito. Il solenoide viene acceso con una corrente i=i 0 t, con i 0 =12 A/s, fino a raggiungere la corrente di 120 A. Calcolare: 1. La FEM del generatore necessaria a fornire la corrente i al solenoide 2. L energia fornita in totale dal generatore All interno del solenoide è posta una piccola spira quadrata di lato l=1.3cm, giacente in un piano ortogonale all asse del solenoide, di resistenza =0.004 Ω. L effetto di questa piccola spira è del tutto trascurabile per le risposte ai punti 1 e 2. Determinare: 1. Il coefficiente di mutua induzione spira-solenoide 2. La corrente indotta nella spira durante l accensione del solenoide 3. La carica che ha circolato nella spira in tutto il processo 4. L energia dissipata in totale nella spira Nonostante la resistenza del solenoide sia nulla, il generatore deve fornire un FEM per compensare la FEM autoindotta nel solenoide la variare della corrente. Si può utilizzare l approssimazione a solenoide infinito per calcolare l induttanza del solenoide: L = µ 0 n 2 Σ h = µ 0 n 2 πr 2 h = 24.74mH (27.1) Nota l induttanza, la FEM è direttamente calcolabile con la legge di Faraday-Lenz: FEM = L di dt = µ 0 n2 Σ h i 0 = 1.26 10 6 1000 2 π 0.025 2 10 12 = 297mV (27.2) L energia fornita dal generatore è pari all energia magnetica accumulata nel solenoide (nota che non vi è energia dissipata essendo nulla la resistenza): t E G = Pdt = 1 2 Li2 = 1 2 µ 0 n2 Σ h i 2 o E G = 1 2 1.26 10 6 1000 2 π 0.025 2 10 120 2 = 178J Il coefficiente di mutua induzione è facilmente calcolabile considerando che il campo magnetico generato dal solenoide è costante sulla superficie della spira: (27.3)
M = φ i = µ nil 2 0 = µ i 0 nl 2 = 1.26 10 6 1000 0.013 2 = 2.1 10 7 H (27.4) Conoscendo il flusso del campo magnetico che attraversa la spira, la corrente indotta ne segue direttamente (trascurando come usuale l autoinduzione della spira): ( ) i s = 1 dφ dt = 1 d µ 0 ni 0 tl 2 = µ ni l 2 0 0 = 1.26 10 6 1000 12 0.013 2 = 0.64mA (27.5) dt 0.004 La carica che ha circolato nella spira si può calcolare direttamente dalla corrente indotta, essendo questa costante: Q = i s t = 6.4mC (27.6) In alternativa utilizzando la legge di Felici: Q = Δφ = µ ni tl 2 0 0 = 6.4mC (27.7) Infine l energia dissipata si ricava dalla potenza dissipata, anch essa costante: E S = i s 2 t = 0.004 0.64 10 3 ( ) 2 10 = 1.64 10 8 J (27.8)
Problema 28. Un solenoide superconduttore ( di resistenza nulla) cilindrico, di altezza h=12m e di raggio r =3cm, è costruito con n=500 spire per metro. Il rapporto lunghezza/diametro è tale che il campo B nel solenoide può essere considerato con ottima approssimazione quello di un solenoide infinito. Il solenoide viene acceso con una corrente i=i 0 t, con i 0 =18 A/s, fino a raggiungere la corrente di 360 A. Calcolare: 1. La FEM del generatore necessaria a fornire la corrente i al solenoide 2. L energia fornita in totale dal generatore All esterno del solenoide è posta una piccola spira quadrata, giacente in un piano ortogonale all asse del solenoide, di resistenza =0.006 Ω. L effetto di questa piccola spira è del tutto trascurabile per le risposte ai punti 1 e 2. Determinare: 1. Il coefficiente di mutua induzione spira-solenoide 2. La corrente indotta nella spira durante l accensione del solenoide 3. La carica che ha circolato nella spira in tutto il processo 4. La potenza dissipata nella spira Il problema è del tutto analogo al precedente, a cui rimandiamo per i commenti alla soluzione: L = µ 0 n 2 Σ h = 10mH FEM = L di dt = µ 0 n2 Σ h i 0 = 1.26 10 6 500 2 π 0.03 2 12 18 = 192mV t E G = Pdt = 1 2 Li2 = 1 2 µ 0 n2 Σ h i 2 o E G = 1 2 1.26 10 6 500 2 π 0.03 2 12 360 2 = 693J (28.1) (28.2) In questo caso il campo magnetico è presente solo all interno del solenoide, nel calcolo del flusso concatenato alla spira va quindi considerata solo la superficie di intersezione tra la spira ed il solenoide: M = φ i = µ niσ 0 = µ 0 nσ = 1.26 10 6 500 π 0.03 2 = 1.78 10 6 H (28.3) i s = 1 dφ dt = 1 i d µ 0 ni 0 tσ ( ) dt = µ 0 ni 0 Σ = 1.26 10 6 500 18 π 0.03 2 0.006 = 5.3mA (28.4)
Q = i s t = 107mC Q = Δφ = µ 0 ni 0 tσ P S = i s 2 = 0.006 5.3 10 3 = 107mC (28.5) ( ) 2 = 1.68 10 7 W (28.6)
Problema 29. Un solenoide infinito ha raggio =15 cm e numero di spire per unità di lunghezza n=1200 spire/m. 1. Determinare la corrente i 0 necessaria a generare nel solenoide un campo magnetico B 0 =0.12 T All interno del solenoide è disposta una piccola spira conduttrice quadrata, di lato L=5 cm, inizialmente disposta in un piano ortogonale all asse del solenoide. 2. Calcolare il coefficiente di mutua induzione solenoide-spira 3. Se la resistenza della spira è =12Ω, determinare la carica che ha percorso la spira nel processo di accensione del solenoide fino al raggiungimento del campo B 0 Successivamente la spira viene fatta ruotare con velocità angolare costante ω=600 rad/s, attorno al suo asse, ortogonale all asse del solenoide. L 4. Calcolare la FEM massima indotta nella spira. 5. Determinare la potenza media dissipata sulla spira. Il campo magnetico in un solenoide infinito è noto: B = µ 0 ni 0 i 0 = B µ 0 n = 0.12 = 79.6A (29.1) 4π 10 7 1200 Essendo il campo costante all interno del solenoide, è immediato calcolarne il flusso attraverso la spira e quindi il coefficiente di mutua induzione: Φ = BL 2 = µ 0 ni 0 L 2 M = Φ (29.2) = µ i 0 nl 2 = 4π 10 7 1200 0.05 2 = 3.77 10 6 H 0 L accensione del solenoide genera una corrente indotta nella spira, la carica totale si calcola con la legge di Felici: Q = ΔΦ = BL2 0.12 0.052 = = 2.5 10 5 C (29.3) 12 La spira ruota nel campo magnetico costante generato dal solenoide, il flusso del campo magnetico attraverso la spira varia sinusoidalmente, e così la corrente indotta: ( ) Φ = BL 2 cos ωt = BL 2 ωsen( ωt) FEM MAX = BL 2 ω = 0.12 0.05 2 600 = 0.18V FEM = Φ t La potenza istantanea dissipata nella spira è: (29.4)