7.3 Sapienza Elettricità Magnetismo 06/09/2007 Una sottile superficie sferica isolante di raggio R = 1.0 m ha carica superficiale = 9.0 · 10 8 C/m2 . La superficie viene fatta ruotare attorno ad un suo diametro con velocità angolare costante ! = 3.0 · 103 rad/s. Determinare ~ 0 (in modulo, direzione e verso) nel a. il campo di induzione magnetica B centro della superficie sferica; b. il momento magnetico della superficie sferica, specificando modulo, direzione e verso; c. l’energia magnetica del sistema quando viene immerso in un campo di induzione magnetica costante ed uniforme di modulo B = 2.0 · 10 6 T inclinato di ⇡/3 rispetto al momento magnetico della superficie sferica. Soluzione Consideriamo la porzione di superficie sferica tra due piani perpendicolari all’asse di rotazione ad altezza z e z +dz. Quando la sfera ruota, alla porzione di carica dq = dS = 2⇡R2 sin ✓d✓ depositata su questa striscia infinitesima è associata una corrente elettrica dq dq ! ! = = dq = 2⇡R2 sin ✓d✓ = ! R2 sin ✓d✓ dt T 2⇡ 2⇡ dove ✓ è l’angolo al centro della sfera definito dall’asse di rotazione z e dal raggio che individua la striscia sulla sfera stessa. di = 56 Il contributo della striscia di corrente al campo di induzione magnetica al centro della sfera è equivalente a quello di un campo generato da una spira (di raggio r = R sin ✓ e percorsa dalla corrente di) in un punto del suo asse distante z dal suo centro. Tale campo ha un’unica componente diretta lungo l’asse di rotazione z dB0 = 1 µ0 r2 di 1 µ0 R2 sin2 ✓ 1 µ0 sin2 ✓ 1 = di = ! R2 sin ✓d✓ = µ0 ! R sin3 ✓d✓ 2 2 3/2 3 2 (r + z ) 2 R 2 R 2 Integrando su tutta la sfera (0 ✓ ⇡) Z ⇡ 1 1 4 2 B 0 = µ0 ! R sin3 ✓d✓ = µ0 ! R · = µ0 ! R ⇠ 2.26 · 10 2 2 3 3 0 10 T c) momento magnetico Per calcolare il momento magnetico della sfera carica rotante ragioniamo in maniera analoga applicando il teorema di equivalenza di Ampère. Ciascuna spira infinitesima contribuisce al momento magnetico per un fattore dato da dm = ⇡r2 di = ⇡!R4 sin3 ✓ (diretto lungo z con verso positivo), per cui, integrando su tutta la sfera (0 ✓ ⇡) , si ottiene il momento magnetico totale 4 m = ⇡R4 ! ⇠ 1.13 · 10 3 Am2 3 c) energia magnetica L’energia potenziale di un magnete con momento magnetico m ~ in un campo ~ è definita come il lavoro della forza magnetica (il momento magnetico B meccanico) nel riallineare il momento di dipolo magnetico, ed è pari a: ⇡ mB = ⇠ 1.13 · 10 9 J 3 2 Si noti l’analogia con l’espressione dell’energia potenziale del dipolo im~ 0: U = E ~ 0 · p~. merso nel campo elettrico E U= ~ = m ~ ·B mB cos 57