FISICA SPERIMENTALE II

FISICA SPERIMENTALE II!
ì Corso di laurea in Chimica (6CFU, 48 ORE)!
Docente: Claudio Melis, Ricercatore a tempo determinato presso
il Dipartimento di Fisica!
Email: [email protected]!
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Telefono Ufficio :070 675 4929!
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Pagina web: http://people.unica.it/claudiomelis/!
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Orario di Ricevimento:Venerdì dalle ore 15:00 alle ore 17:00!
Presso il Dipartimento di Fisica, secondo piano torre C ufficio 24!
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ì Campo magnetico e materia !
Permeabilità magnetica!
Campo magnetico e materia !
!
La classificazione distingue le sostanze in:
diamagnetiche, paramagnetiche e
ferromagnetiche è basata sulle diverse reazioni
dei materiali sottoposti all'azione di un campo
magnetico esterno. !
Campo magnetico e materia !
Diamagnetiche: µr < 1
µr non dipende da c.m. e temperatura !
!
Paramagnetiche: µr > 1
µr non dipende da c.m. !
!
Ferromagnetiche: µr >> 1 (103-105) !
Momento magnetico atomico!
Un elettrone che ruota intorno al nucleo da
luogo a una corrente e/T. Il comportamento è analogo a quello di una
spira percorsa da corrente: si parla di
momento magnetico dell elettrone!
µ = eS/T
(µ = iS) !
Polarizzazione magnetica!
Una sostanza viene immersa in un campo
magnetico !
!
Gli elettroni subiscono una perturbazione del
loro moto !
!
!
L atomo acquista un momento magnetico in
opposizione al c.m. !
Sostanze diamagnetiche!
•  Una sostanza è classificata diamagnetica:
Gli atomi non possiedono un momento
magnetico proprio!
•  Un piccolo momento magnetico si
manifesta quando essa viene
immersa in un campo magnetico, diretto
in opposizione al c.m.!
•  Sostanze diamagnetiche: acqua, argento.!
Sostanze paramagnetiche!
ì  Materiali i cui atomi e le cui molecole
sono naturalmente dotati di un
momento magnetico proprio. !
ì  In presenza di un campo magnetico
esterno, i singoli momenti magnetici
atomici tendono ad allinearsi lungo la
direzione del campo applicato,
rinforzandolo. !
ì  Aria, alluminio !
Sostanze ferromagnetiche!
•  Conservano un momento magnetico anche
una volta rimosso il campo magnetizzante.
Questo effetto è il risultato di una forte
interazione tra i momenti magnetici atomici della
sostanza. !
•  I materiali ferromagnetici sono divisi in piccole
aree chiamate domini; all'interno di ogni
dominio i momenti magnetici sono allineati
in un'unica direzione.!
Istèresi magnetica!
•  Pierre Curie scoprì una particolarità delle
sostanze ferromagnetiche: per queste sostanze
la relazione tra B e B0 è molto più complessa:
facendo crescere l intensità del campo
magnetico esterno B0, dapprima cresce
rapidamente anche l intensità del campo totale
B. Successivamente se si vogliono diminuire le
due intensità, non ritorneranno alla condizione
di partenza ma descriveranno un intera
curva. Questa relazione si chiama ciclo di
isterèsi magnetica.!
Istèresi magnetica!
Istèresi magnetica!
Istèresi magnetica!
•  Osservando la figura, allo stato iniziale B e B0 si
trovano nel punto 0. !
•  All
aumentare di B0, cresce anche B; !
ì  La relazione tra B0 e B non è una retta ma una
curva: B e B0, quindi, non sono direttamente
proporzionali. !
ì  B cresce rapidamente, fino a divenire costante
anche se B0 continuasse ad aumentare. Questo
valore si chiama saturazione.!
Istèresi magnetica!
• 
Riducendo l intensità di B0, B non ritorna al punto 0!
• 
la curva descrive un tragitto verso il punto Br, dove si ha
l annullamento di B0 rimane un campo magnetico residuo: la
sostanza ferromagnetica ha acquistato una magnetizzazione
permanente. !
• 
Per eliminare questa nuova magnetizzazione, occorre invertire il
segno di B0, arrivando ad un punto a, in cui B è uguale a zero e B0
ha un valore negativo. !
• 
Facendo in modo che B0 diminuisca ancora per poi tornare a
crescere, si ottiene la curva di isterèsi magnetica, notando che
questa non passa più dall origine. !
• 
Per riportare la sostanza ferromagnetica allo stato di partenza,
Curie capì che era necessario riscaldare il materiale al di sopra di
una certa temperatura tipica della sostanza, ossia la nota
temperatura di Curie. Al di sopra di questa condizione ogni
materiale diventa paramagnetico, perdendo così la propria
magnetizzazione residua.!
Istèresi magnetica!
Φ(B) Flusso del campoattraverso una
spira!
Flusso del campo magnetico
che passa attraverso una
superficie che ha come contorno
la spira.!
Flusso delle linee del campo
magnetico concatenato con la
spira!
Φ(B) = B : S!
Φ(B) Flusso del campoattraverso una
spira!
dS
B B  
ΦB ≡ ∫ B • dS
Variazione del flusso Φ(B)!
Stessa S ma Φ(B) aumenta se B più grande: Φ1(B) > Φ2(B) Variazione del flusso Φ(B)!
Stesso B ma S più grande --> Φ1(B) > Φ2(B)!
Variazione del flusso Φ(B)!
Se spostiamo il circuito e cambia B oppure
se se lo deformiamo e cambia S abbiamo
una variazione del flusso di B:!
ΔΦ(B) Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
“Se in un intervallo di tempo Δt si ha una variazione ΔΦ(B)
del flusso di campo magnetico B concatenato con un
circuito, nel circuito è indotta una forza elettromotrice f (un
voltaggio) che genera una corrente I che si oppone alla
variazione di flusso che lʼha generata”.!
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Muoviamo la spira nel campo magnetico della
calamita. !
Avviciniamo la spira. Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Nella spira viene indotta una corrente. Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
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 è la stessa lungo spire grandi o piccole. !
Questo implica che il campo E è più debole a !
distanze maggiori dalla variazione di flusso.!
fem
!
 
ε = ∫ E • dl
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Campo magne8co uniforme a0raverso una spira piana di area A: il flusso concatenato vale !B =
"
!
!
B • dA =
" B dA cos! =
cos! " dA = B A cos!
La f.e.m. indo0a vale quindi dΦB
d
ε=−
= − ( B Acosθ )
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 θ tra B e la normale al circuito
per qualsiasi combinazione dei casi precedenti
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Il campo B generato allʼinterno della spira dalla corrente si sottrae a quello
del magnete e cerca di conservare il campo più piccolo che era presente
inizialmente al centro della spira!!!!!
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Il campo B indotto dalla corrente allʼinterno della spira si somma a quello del
magnete e cerca di conservare il campo più grande che era presente nella spira
prima dello spostamento!!!!!
Fenomeno dellʼinduzione elettromagnetica.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz!
Effetti di Induzione!
Generazione di corrente (indotta) in assenza di batteria (f.e.m. indotta)!
• 
Barra magnetica si muove attraverso la spira!
à Corrente indotta nella spira!
• 
• 
• 
Ribaltando i poli magnetici!
!àla corrente indotta cambia segno!
S!
N!
N!
S!
Barra magnetica stazionaria dentro la spira!
à Nessuna corrente indotta nella spira!
Spira in moto, barra magnetica fissa!
à Corrente indotta nella spira!
v!
N!
S!
v!
S!
•  in qualunque caso, cambio di direzione del moto!
Ø 
Induce una variazione nel segno della corrente!
v!
N!
Effetti di Induzione!
Generazione di corrente (indotta) in assenza di batteria (f.e.m. indotta)!
• 
Barra magnetica si muove attraverso la spira!
à Corrente indotta nella spira!
• 
• 
• 
Ribaltando i poli magnetici!
!àla corrente indotta cambia segno!
S!
N!
N!
S!
Barra magnetica stazionaria dentro la spira!
à Nessuna corrente indotta nella spira!
Spira in moto, barra magnetica fissa!
à Corrente indotta nella spira!
v!
N!
S!
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S!
•  in qualunque caso, cambio di direzione del moto!
Ø 
Induce una variazione nel segno della corrente!
v!
N!
Applicazioni!
•  Pick-up chitarra
elettrica
•  Interruttore
salvavita