•Legge di Faraday-Henry (o dell`induzione elettromagnetica

IL CAMPO ELETTROMAGNETICO
DIPENDENTE DAL TEMPO
•Legge di Faraday-Henry (o dell’induzione
elettromagnetica);
•Applicazioni della legge dell’induzione e.m.,
caso della spira rotante;
•Il fenomeno dell’autoinduzione nei circuiti;
•L’energia del campo magnetico e del campo
elettromagnetico;
•Il principio di conservazione della carica;
•La legge di Ampere-Maxwell;esempi;
•Le Equazioni di Maxwell;
• Le onde;
• Dalle equazioni di Maxwell all’equazione delle
onde per il campo e.m.;
• La propagazione del campo e.m.; Onde e.m.
piane, Polarizzazione delle onde e.m.; Onde
e.m. sferiche;
• Flusso di energia (vettore di Poynting)
• Le onde e.m. generate da dipoli oscillanti.
LA LEGGE DI FARADAY-HENRY O
DELL’ INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Se un magnete è posto vicino ad un circuito
conduttore chiuso, nel circuito si manifesta una
f.e.m. quando il magnete è messo in movimento.
Tale f.e.m. è rilevabile sotto forma di corrente,
cioè delle cariche libere messe in moto nel
conduttore, mediante un amperometro.
Si verifica che l’entità della f.e.m., e quindi della
corrente, dipende dalla velocità del moto del
magnete relativamente al circuito.
La corrente ha direzione
nel circuito che
dipende dal fatto che
il magnete sia
avvicinato
o allontanato.
Un fenomeno analogo si manifesta se al posto
del magnete in movimento abbiamo un circuito
in cui la corrente varia col tempo.
Si verifica che se il circuito con corrente variabile
genera un campo magnetico, concatenato al
circuito in cui misuriamo la corrente, osserviamo
una f.e.m. indotta, e quindi una corrente indotta.
Esperimenti accurati hanno mostrato che
in un qualsiasi circuito chiuso posto in un campo
magnetico variabile nel tempo viene indotta una
f.e.m. uguale alla derivata rispetto al tempo del
flusso magnetico attraverso il circuito (cioè
attraverso una qualsiasi superficie che ha come
contorno il circuito) col segno cambiato.
d
f .e.m. indotta = Vind = − Φ magn
dt
d  r r
f.e.m. = −  B ⋅ dS 
dt 

S

∫
Ricordando che la f.e.m. lungo un percorso
chiuso è definita come il lavoro necessario
per spostare una carica unitaria lungo tale
percorso:
r r
f .e.m. = ∫ E ⋅ dl
L
Se L è il percorso chiuso contorno della
superficie S abbiamo:
r r
d  r r
∫L E ⋅ dl = − dt ∫S B ⋅ dS 
Il risultato ottenuto è valido anche se L non
è un conduttore, ma è una curva chiusa ideale.
In conclusione possiamo affermare che
un campo magnetico dipendente dal tempo
crea un campo elettrico tale che la circuitazione
del campo elettrico lungo un percorso arbitrario
chiuso sia eguale ed opposta alla derivata
rispetto al tempo del flusso del campo magnetico
attraverso una superficie avente per contorno
quel percorso.
Tale legge prende il nome di
Legge di Faraday-Henry o dell’induzione
e costituisce una delle equazioni di Maxwell
(la terza equazione)
La regola per determinare le f.e.m. indotte è
data dala legge di Lenz:
La corrente indotta in una spira conduttrice
chiusa ha un verso tale da opporsi alla
variazione che l’ha generata
d
Vind = − Φ magn
dt
1 d
i ind = −
Φ magn
R dt
Es.
B
B aumenta
nel tempo
iind
L’induzione elettromagnetica dovuta
al moto relativo di un conduttore
in campo magnetico stazionario
La legge dell’induzione e.m. vale anche quando
il campo magnetico è stazionario ed è il
conduttore a muoversi rispetto al campo.
Caso del conduttore in moto
Gli elettroni
r nel conduttore PQ sentono una
r liberi
forza − ev × B che li mette in moto verso Q.
Nella barretta viene a crearsi un campo
r elettrico
r
r
E = v×B
Il circuito vede una f.e.m.
f .e.m. = Bvl
-
I
+
N.B. lo stesso risultato è
ottenibile
con la legge
della variazione del flusso
Caso della spira rotante
La stessa situazione si verifica con una spira
ruotante in campo magnetico stazionario.
Se ω è la velocità angolare di rotazione
della spira di area S in un campo magnetico B:
f .e.m. = ωBS sin (ωt )
E’ questo il metodo per la creazione di f.e.m.
alternata.
In conclusione
la legge dell’induzione elettromagnetica
(o di Faraday-Henry),
d
f .e.m. = − Φ magn
dt
può essere impiegata quando la variazione
del flusso magnetico è dovuta ad un cambiamento
del campo magnetico o ad un moto o una
deformazione rispetto al campo magnetico
del circuito lungo il quale è calcolata la f.e.m.,
o ad entrambi questi processi.
Su questa legge si basa il funzionamento
del generatore elettrico e del trasformatore.
Il fenomeno dell’autoinduzione nei circuiti
Se consideriamo un circuito percorso dalla
corrente I, tale corrente crea nello spazio circostante
un campo magnetico B.
Linee di forza del campo sono quindi concatenate
al circuito, per cui si può calcolare il flusso
autoconcatenato.
Si può dimostrare che il flusso magnetico attraverso
una superficie che ha per contorno il circuito vale:
r r
Φ autoconc. = ∫ B ⋅ dS = LI
S
Il risultato vale
qualunque sia la
geometria del
circuito.
L è detto coefficiente di autoinduzione ed
è una funzione della forma del circuito e
del mezzo circostante.
La sua unità di misura nel S.I. è
Wb A-1 = H (Henry)
Se la corrente I nel
circuito varia nel tempo,
anche il flusso magnetico
autoconcatenato varia con t,
si viene a creare per la legge
dell’ind. e.m. una f.e.m.
d
dI
VL = − Φ = − L
dt
dt
Quindi la f.e.m. autoindotta agisce in modo
da opporsi al cambiamento della corrente nel
circuito.
L’autoinduttanza di un circuito non è concentrata
in un punto particolare ma è una proprietà del suo
insieme.
Dipende dalla sua geometria e dà origine al
componente elettrico detto induttore.
Vediamo ora particolari geometrie in cui è facile
calcolare L.
Coefficiente di autoinduzione del solenoide.
Se il solenoide ha N spire di sezione S, è lungo l ed
è percorso dalla corrente i,
N
B=µ i
l
 N 2S 
i
; Φ = NSB =  µ
l 

N 2S
L=µ
l
Coefficiente di autoinduzione di un cavo coassiale
costituito da due fogli metallici coassiali di
raggi a e b, in ciascuno dei quali fluisce in
direzione assiale una corrente I in verso opposto.
r r b  µI 
l I b
Φ = ∫ B ⋅ dS = ∫ 
ln 
ldr = µ
2πr 
2π  a 
PQRS
a
l b
L=µ
ln 
2π  a 
ENERGIA DEL CAMPO MAGNETICO
Nella fase di transitorio nei circuiti RL ai capi
dell’induttanza si ha una tensione VL e quindi
il generatore di f.e.m. impiega potenza per forzare
la corrente:
 dI 
P = VL I =  L  I
 dt 
Quindi quando la corrente diventa stazionaria
il lavoro fatto dal generatore sull’induttore vale
I
1 2
energia = W = ∫ Pdt = ∫ LIdI = LI
2
0
Se prendiamo un induttore a forma di solenoide
(così sappiamo fare i calcoli !) abbiamo:
2
N
B=µnI ; L=µ
S
l
2
1 2 1 N  2
W = LI =  µ
S  I
2
2 l 
2
1B
(Sl )
W=
2 µ
Introducendo il concetto di densità di energia del
campo magnetico:
2
W
1B
w=
=
( Sl ) 2 µ
Cioè l’energia del generatore si è accumulata
nel campo magnetico.
Si può dimostrare che il risultato ottenuto è
valido per qualsiasi campo magnetostatico.
ENERGIA DEL CAMPO
ELETTROMAGNETICO
Come abbiamo visto precedentemente, ai
campi elettrostatico e magnetostatico
è associata una energia per unità di volume
pari a
1
wE = ε 0ε r E 2
2
1 B2
wB =
2 µ0 µ r
Anche per il campo elettromagnetico dipendente
dal tempo c’è da aspettarsi di poter definire una
energia per unità di volume.
Si può dimostrare (ma non lo faremo) che la
espressione per tale energia è la stessa che
avevamo per i campi statici:
2
wEM
1
1 B
2
= ε 0ε r E +
2
2 µ0 µr
ESERCIZI E APPLICAZIONI
della LEGGE DI FARADAY-HENRY
ESEMPIO 1
Alcune considerazioni energetiche
sulla legge dell’induzione e.m.
Se consideriamo il circuito di figura dove la f .e.m. = Bvl
supponiamo che la resistenza valga R e trascuriamo
l’autoinduzione
f .e.m. Bvl
I=
=
R
R
-
I
+