Disclaimer: credits given in the first presentation of this series Le osservazioni e i modelli: update n La quantità di moto (mv) si conserva sempre nelle interazioni ∫ E ⋅ dl = 0 ∫ E ⋅ dS = Q ε0 ∫ B ⋅ dl = µ0 I ∫ B ⋅ dS = 0 ! d ! F = (mv ) dt n Vi sono due tipi di interazioni fondamentali ! ! ! ! mm r q1q2 r Fgr = −G 1 2 2 Fel = kel 2 r r r r n Le interazioni possiamo descriverle come mediate dai campi r massa / carica ⎯genera ⎯⎯→ campo ⎯esercita ⎯⎯→ forza g = −G ∫ 3 ρ m dv spazio r n In termini di campi l’equazione del moto r E = kel ∫ 3 ρe dv si può scrivere spazio r ! ! r ! ! d ! B = km ∫ v × 3 ρe dv mg + q( E + v × B) = (mv ) r dt spazio Alcune domande aperte n Come si modificano le proprietà di un campo? -> attraverso la propagazione di onde (prossimo argomento) n Cosa trasferisce l’informazione tra punti distanti di un campo? -> l’energia trasferita dall’onda (prossimo argomento) n Ci sono altre quantità che si conservano? -> oltre la carica elettrica e la quantità di moto si conservano l’energia e il momento angolare Sono state osservate azioni di corrente -> corrente corrente -> magnete magnete -> magnete magnete -> corrente n E’ stato anche osservato che le correnti elettriche generano campi magnetici, è possibile che campi magnetici possano generare correnti elettriche? D A T O S P E R I M E N T A L E Dato sperimentale Michael Faraday nel 1831 scopre il fenomeno dell’induzione : la bobina si comporta come se fosse connessa ad un generatore elettrico, ma solamente quando vi è un moto relativo tra il magnete e il circuito Esperimenti successivi hanno dimostrato che viene indotta una corrente nel circuito anche in assenza di moto relativo, purchè vi sia un campo magnetico variabile nel tempo M O D E L L O Michael Faraday I N T E R P R E T A T I V O 1791 - 1867 M O D E L L O I N T E R P R E T A T I V O Modello matematico f .e.m. = Flusso di un campo magnetico Se B è uniforme e S è piana ! ! Φ B = ∫ B ⋅ dA = BA cosθ sup Unità di misura: Weber = Tm2 [ML2T-2I-1] dΦ B dt M O D E L L O I N T E R P R E T A T I V O Modello matematico dΦ B d = (BA cosθ ) dt dt dB Variazione della intensità = A cosθ del campo magnetico dt dA +B cosθ Deformazione del circuito dt dθ Rotazione del circuito − BA sin θ dt M O D E L L O I N T E R P R E T A T I V O Legge di Lenz dΦ B f .e.m. = ε = − dt Il verso della corrente indotta è tale da generare un campo magnetico il cui flusso, attraverso la stessa superfice, si oppone alla variazione di flusso che ha generato la corrente A P P L I C A Z I O N I Esempio Le cariche trascinate dalla sbarretta conduttrice sentono la forza ! ! ! FB = qv × B = qvBĵ La separazione delle cariche positive da quelle negative genera una forza elettrica FE nel verso opposto a FB. ! ! FE = qE = − qEĵ y x Quando le due forze si bilanciano si sarà stabilito un campo elettrico E = vB e anche una d.d.p. Va − Vb = El = vlB Le cariche trascinate dalla sbarretta conduttrice generano a loro volta un campo B? Se il circuito viene chiuso … A P P L I C A Z I O N I Potenza generata La sbarretta che si muove con velocità v modifica la superficie del circuito in dS dt = d (lx) dt = lv il flusso magnetico ΦB=Blx varia nel tempo come dΦ B dt = Blv = −ε La f.e.m. indotta genera una corrente I = |ε|/R = Blv/R in verso anti-orario Il campo magnetico B esercita sulla corrente indotta I che scorre nella sbarretta una forza FB = Il×B che tende a fermare la sbarretta Per mantenere la velocità costante occorre esercitare una Fext = |FB |= B2l2v/R La potenza meccanica necessaria P = Fv = (Blv)2/R serve a mantenere la corrente lungo il circuito Pε = ε2/R e la velocità di regime è data da v0 = IR/(Bl) A P P L I C A Z I O N I Freno magnetico Se quando v = v0 la Fext cessa improvvisamente, cosa fa la sbarretta ? rallenta esponenzialmente la sua velocità fino a fermarsi (freno magnetico). B 2l 2 v dv FB = − =m R dt 2 (Bl ) dt dv =− v mR 2 t (Bl ) dv ∫v0 v = −∫0 mR dt v 1.0 0.8 ⎡ (Bl )2 ⎤ v = v0 exp⎢− t⎥ ⎣ mR ⎦ 0.6 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 In cosa si differenzia da un freno meccanico dove la forza applicata è costante? A P P L I C A Z I O N I Levitazione magnetica Il peso della spira determina la sua accelerazione di caduta nel campo magnetico dipolare non uniforme. La f.e.m. indotta dall’aumento del flusso attraverso la spira genera una corrente I in verso antiorario. Il dipolo magnetico così indotto ha il polo nord verso il basso e viene respinto dal magnete fisso. A cosa è dovuto il rimbalzo, il circuito continuerà ad oscillare oppure si stabilizzerà in un ad una quota stazionaria? A P P L I C A Z I O N I Generatore elettrico Φ B = BA cosθ dΦ B dt = − BAω sin ωt iind = (NBAω R )sin ωt Converte il movimento meccanico alimentato da combustione, caduta di liquidi, vento, etc in corrente alternata. A P P L I C A Z I O N I Motore elettrico Il MOTORE ELETTRICO opera la conversione i = V / R; i = NBA sinθ dθ / dt / R ( ) bat ind opposta τ = −itot NBA sin θ = − (ibat − iind ) NBAsin θ = Iθ NBA θ = − sin θ (V − NBA sinθ θ ); ω = θ IR Sim(mnb) Sim(xls) van Allen Il campo magnetico terrestre è deformato per effetto del vento solare (ionizzato) e si determinano due fasce dove le particelle cosmiche cariche, principalmente dovute alle tempeste solari, restano intrappolate: gli elettroni, più leggeri nella fascia più esterna, e un plasma di protoni ed elettroni in quella più interna. Il moto elicoidale delle cariche le spinge verso le regioni polari dove il campo terrestre è più intenso, quando la loro concentrazione è maggiore, l’aumento del numero di collisioni determina la caratteristica fluorescenza Aurora boreale Chitarra elettrica Il trasduttore di una chitarra elettrica consiste in un magnete permanente attorno al quale sono avvolte delle spire conduttrici. In che modo questo dispositivo rivela il movimento della corda della chitarra? E S E R C I Z I N U M E R I C I Esempi numerici Il trasduttore di una chitarra elettrica consiste in un magnete permanente attorno al quale sono avvolte delle spire conduttrici. In che modo questo dispositivo rivela il movimento della corda della chitarra? E S E R C I Z I N U M E R I C I Esempi numerici Il trasduttore di una chitarra elettrica consiste in un magnete permanente attorno al quale sono avvolte delle spire conduttrici. In che modo questo dispositivo rivela il movimento della corda della chitarra? E S E R C I Z I N U M E R I C I Esempi numerici Il trasduttore di una chitarra elettrica consiste in un magnete permanente attorno al quale sono avvolte delle spire conduttrici. In che modo questo dispositivo rivela il movimento della corda della chitarra? E S E R C I Z I N U M E R I C I Esempi numerici Il trasduttore di una chitarra elettrica consiste in un magnete permanente attorno al quale sono avvolte delle spire conduttrici. In che modo questo dispositivo rivela il movimento della corda della chitarra? Keep in mind (40%) • • • • Legge di Gauss per il campo magnetico Base sperimentale della legge di Faraday Il significato della legge di Lenz Il principio di funzionamento del motore elettrico Keep in mind (+ 40%) • • • • • Confronto tra legge di Gauss e legge di Faraday Freno elettromagnetico Principio di funzionamento del generatore elettrico Velocità di rotazione di una bobina ad induzione Spiegazione delle fasce di van Allen Homework • Realizzare un piccolo motore elettrico (in internet se ne trovano di diversi tipi a costo quasi nullo) e cercare di misurare la velocità di rotazione del motore (per esempio con una fotocamera ad alto frame rate) • studiare il capitolo 34 (es. 8, 17, 28, 30) • rispondere a tutte le domande a risposta multipla e ai quesiti • leggere il capitoli 36 e 37