slide07
annuncio pubblicitario
Legge di Faraday dS B B ΦB B dS dΦB ε dt Fisica II - Informatica E xxxxxxxxxx E xxxxxxxxxx R xxxxxxxxxx B1 xxxxxxxxxx E xxxxxxxxxx E Schema Generale • Elettrostatica – moto di “q” in un campo E esterno – campo E generato da Sqi • Magnetostatica – moto di “q” e “I” in un campo B esterno – campo B generato da “I” • Elettrodinamica – campo B dipendente dal tempo che genera un campo E » campo E dipendente dal tempo genera B » radiazione elettromagnetica - luce » circuiti ac, induttori, trasformatori, etc Fisica II - Informatica Esperimenti di Faraday Una corrente elettrica circola nel galvanometro ogni volta che vi è un moto relativo del magnete rispetto alla spira Fisica II - Informatica Effetti di Induzione Generazione di corrente (indotta) in assenza di batteria (f.e.m. indotta) • Barra magnetica si muove attraverso la spira S Corrente indotta nella spira • Ribaltando i poli magnetici la corrente indotta cambia segno N S N S S N v • in qualunque caso, cambio di direzione del moto Induce una variazione nel segno della corrente Fisica II - Informatica v v • Barra magnetica stazionaria dentro la spira Nessuna corrente indotta nella spira • Spira in moto, barra magnetica fissa Corrente indotta nella spira N Effetti di Induzione generati da correnti • Apertura (o chiusura interruttore) corrente indotta in avvolgimento second. • Corrente stazionaria nel primario nessuna corrente indotta in secondario • Conclusioni di Faraday: Una corrente elettrica può essere generata da un campo magnetico variabile nel tempo Quantifichiamo queste osservazioni ! Fisica II - Informatica Legge di Faraday • Definiamo il flusso del campo magnetico attraverso dA una superficie aperta come: ΦB B dA B • Legge di Faraday dell’induzione : La f.e.m. indotta in un circuito è determinata dalla variazione temporale del flusso del campo magnetico attraverso quel circuito. dΦB ε dt Il segno meno indica la direzione della corrente indotta (data dalla Legge di Lenz). Fisica II - Informatica B Forza Elettro-Motrice tempo Un campo magnetico, crescente nel tempo, attraversa la spira Un campo elettrico viene generato nello spazio circostante il campo magnetico crescente Questo campo elettrico può generare correnti, proprio come una differenza di potenziale, SE è presente una spira chiusa conduttrice (filo metallici, fluido conduttore, ecc.) L’integrale sulla linea chiusa del campo E è la “fem” FEM è la stessa lungo spire grandi o piccole. Questo implica che il campo E è più debole a distanze maggiori dalla variazione di flusso. Fisica II - Informatica ε E dl Esempio Campo magnetico uniforme attraverso una spira piana di area A: il flusso concatenato vale ΦB B dA B dAcos cos dA B Acos La f.e.m. indotta vale quindi dΦB d ε B Acos dt dt Dall’espressione si vede che una f.e.m. può essere indotta: a) b) c) d) quando varia nel tempo il modulo di B quando varia nel tempo la superficie A del circuito quando varia nel tempo l’angolo tra B e la normale al circuito per qualsiasi combinazione dei casi precedenti Fisica II - Informatica Applicazioni • Pick-up chitarra elettrica • Interruttore salvavita Fisica II - Informatica Forza elettromotrice dinamica Consideriamo un filo che si muove perpendicolarmente a B F F F e B 0 qE qvB quindi E vB f .e.m. DV E B v Una differenza di potenziale è presente fra gli estremi del conduttore finchè esso si muove nel campo magnetico. Se si inverte la direzione del moto, anche la polarità di DV si inverte. Fisica II - Informatica Forza elettromotrice dinamica Conduttore in movimento parte di circuito chiuso L’energia meccanica (sbarretta in movimento) si conserva (energia dissipata nel resistore) !!! Fisica II - Informatica Applicazione: generatore di corrente alternata turbina idraulica o a vapore (centrale elettrica), ovvero motore a combustione (gruppo elettrogeno) f.e.m. variabile sinusoidalmente nel tempo Fisica II - Informatica Legge di Lenz La polarità della f.e.m. indotta nell’avvolgimento tende a produrre una corrente il cui campo magnetico si oppone alla variazione di flusso concatenato con il circuito. Cioè, la corrente indotta è in una direzione tale che il campo magnetico indotto tende a mantenere il flusso iniziale attraverso il circuito. Fisica II - Informatica Legge di Lenz e conservazione dell’energia Fisica II - Informatica • Ipotesi: la direzione della corrente indotta deve essere tale da opporsi alla variazione, altrimenti la legge di conservazione dell’energia sarebbe violata. • Se la corrente rinforzasse la variazione, allora la variazione crescerebbe inducendo a sua volta una corrente maggiore, che aumenterebbe ancora la variazione, ecc.. • p.es. la sbarretta verrebbe continuamente accelerata: il sistema acquisterebbe energia con un lavoro iniziale praticamente nullo (paradosso !) F.E.M. indotte e campi elettrici •In un conduttore si crea un campo elettrico come conseguenza di un flusso magnetico variabile •Un flusso magnetico variabile produce sempre un campo elettrico. Nota la variazione temporale di B si può calcolare E In forma generale: Il campo elettrico indotto E, prodotto da un campo magnetico variabile, è non conservativo : lavoro svolto lungo un percorso chiuso non nullo. Fisica II - Informatica Riassumendo • Legge di Faraday (Legge di Lenz) – una variazione di flusso magnetico attraverso una spira induce una corrente nella spira stessa dΦB ε dt il segno negativo indica che la FEM indotta si oppone alla variazione di flusso • Legge di Faraday in termini di campo elettrico d B E d l dt il campo elettrico indotto non è conservativo ! Fisica II - Informatica Auto-Induttanza • Consideriamo la spira a destra, Rspira=0. (Assumendo una batteria ideale con resistenza interna R = 0) • interr. chiuso la corrente fluisce nella spira. • inizialmente dI/dt0 , quindi I(t=0) e/R=Imax “L’induttanza” del circuito limita dI/dt, cioè la crescita della corrente perchè ? • Quando la corrente fluisce, si produce un campo magnetico nell’area racchiusa dalla spira. • Il flusso attraverso la spira cresce al crescere della corrente • Viene indotta nella spira una f.e.m. che si oppone alla variazione di flusso di corrente poichè si oppone ad un incremento di flusso (Legge di Faraday’) • Auto-Induzione: variazione di corrente in una spira che induce una tensione opposta nella medesima spira. Fisica II - Informatica Auto-Induttanza • Il campo magnetico prodotto dalla corrente nella spira mostrata è B proporzionale alla corrente. I • Il flusso, quindi, è anche proporzionale alla corrente. • Definiamo questa costante di proporzionalità tra flusso e corrente come induttanza, L. I B B dS I L • Unità di misura Henry, 1H=1V·s/A • Si può anche definire l’induttanza, L, usando la legge di Faraday, in termini della f.e.m. indotta da una corrente variabile. Fisica II - Informatica L B I e (dI / dt ) ε L dI dt Auto-Induttanza • L’induttanza di un induttore (un insieme di spire ... p.es. un solenoide), può essere calcolata solo dalla sua geometria, se il dispositivo è fatto solamente da conduttori avvolti in aria. Analogamente al caso di un condensatore. • Se si aggiunge altro materiale (p.es. nucleo di ferro), bisogna aggiungere una qualche proprietà specifica del materiale, come già fatto per condensatori (dielettrici) e resistori (resistività). L e (dI / dt ) L B I C Q V C C0 R L A • Un prototipo di induttore è un lungo solenoide, proprio come una coppia di piatti paralleli sono il prototipo di un condensatore. A ++++ l r Fisica II - Informatica N avvolgimenti r << l d ----- d A Induttanza di un solenoide • Solenoide lungo : l N avvolgimenti totali, raggio r, lunghezza l il campo magnetico vale r l B 0 N I l r N avvolg. per una singola spira, A r 2 BA 0 N Ir 2 l Il flusso totale attraverso il solenoide è dato da: N2 B N 0 Ir 2 l L’induttanza del solenoide è quindi data da: 2 B N2 2 N L 0 r 0 lr 2 I l l Fisica II - Informatica
