Fisica 2 13° lezione Programma della lezione • • • • • • • • • • Esperienze di Faraday Legge di Faraday-Neumann Relatività Legge di Lenz Legge di Lenz e conservazione dell’energia Moto di un conduttore in un campo B Lavoro della forza Fem dinamica Spira in moto in un campo B Fem dinamica e variazione del flusso di B Faraday (1831) • Studia situazioni sperimentali diverse – Moto di un circuito in un campo B fisso – Moto di un campo B rispetto a un circuito fisso – Variazione d’intensita` del campo B • Arriva alla conclusione che una variazione del flusso del campo B concatenato con il circuito induce una fem nel circuito • Il flusso concatenato è il flusso attraverso una qualunque superficie che appoggia sul circuito Faraday • Scoperta di una nuova legge • La fem è attribuita all’esistenza di un nuovo tipo di campo E, dinamico o indotto • Anche una variazione geometrica del circuito nel campo B produce una fem – Variazione di dimensioni – Variazione di orientazione Legge di Faraday-Neumann • 2a eq. dell’e.m. nella sua forma completa d B E E dl dt C • Il segno negativo ha a che fare con il verso della fem (legge di Lenz) • I campi E statici sono conservativi: l’integrale di linea di E su un cammino chiuso e` nullo • I campi E indotti non sono conservativi: l’integrale e` uguale alla fem Circuito a più spire • Se il circuito è formato da più spire, bisogna sommare il contributo di ogni spira • Se ci sono N spire tutte uguali in un campo B in totale avremo N volte il flusso e la fem di una spira Una strana coincidenza • Consideriamo i due casi perfettamente simmetrici: – Moto di un circuito in un campo B fisso: fem dovuta alla forza di Lorentz – Moto di un campo B rispetto a un circuito fisso: fem dovuta al campo elettrico indotto • Le fem nei due casi sono esattamente uguali, ma nella teoria e.m. classica le spiegazioni sono completamente diverse • Solo nella teoria della relatività le due spiegazioni vengono unificate fem indotta • La fem e` presente anche se il circuito non e` chiuso, cosicche’ non e` percorso da corrente • Finora la fem era localizzata (es. tra i morsetti di una batteria) • La fem indotta da un flusso magnetico variabile si puo` invece considerare distribuita in tutto il circuito • In relatività la fem può essere attribuita a tutto lo spazio: ai capi del circuito è presente una fem in quanto esso occupa uno spazio in cui è presente una fem Legge di Lenz • Prescrive il segno negativo davanti alla variazione del flusso magnetico • La fem indotta e la corrente indotta hanno verso tale da opporsi alla variazione che le genera • Questo segno garantisce l’accordo con la conservazione dell’energia Legge di Lenz: esempi • Magnete che si avvicina ad una spira 2 1 S N 1 S N 2 0 t • Il campo B del magnete sia rivolto nel verso positivo • Il flusso aumenta, quindi la fem e la corrente indotte nella spira devono essere negative, cioe` generare un campo B il cui flusso sia negativo Legge di Lenz: esempi • Circuiti affacciati percorsi da correnti variabili C1 C2 A C1 C2 A • I1 crescente, flusso di B1 attraverso C2 crescente, I2 negativo, flusso di B2 attraverso C2 negativo • I1 decrescente, flusso di B1 attraverso C2 decrescente, I2 positivo, flusso di B2 attraverso C2 positivo Moto di un conduttore in campo B • Sbarra conduttrice in moto perp. alla sua estensione (lunghezza L) e a un campo B • Gli elettroni della sbarra risentono della forza di Lorentz e vengono spinti verso l’estremità lontana • Definiamo un nuovo campo (elettromotore) facendo il rapporto tra forza e carica B v f qv B f q vB Campo statico. Equilibrio • Poiché gli elettroni non possono fuoriuscire dalla sbarra, si accumulano all’estremità lontana • All’estremità vicina avremo un eccesso di carica positiva • [La separazione di carica genera un campo elettrico statico all’interno e all’esterno della sbarra • Questo campo si oppone con una forza ad un ulteriore accumulo di elettroni • Si giunge all’equilibrio quando le due forze sono uguali • In tal caso i due campi soddisfano:] B - v + f s qE qEs qv B 0 Es v B Lavoro della forza • Abbiamo “trascurato” la componente vd di ve associata al moto delle cariche lungo la sbarra • Essa determina una forza sui fL portatori, perpendicolare alla sbarra, in direzione opposta al moto • La risultante di queste forze è una forza che decelera la sbarra • Il vincolo posto dalla superficie della sbarra reagisce con una forza fv su ogni carica • Le cariche rimangono contenute nella sbarra v q vd ve S fv B X Lavoro della forza • La forza di Lorentz fa lavoro nullo, quindi la reazione vincolare è necessaria per avere un v lavoro non nullo f f L fv f f L sin q qve B sin q qvB f fL q ve S fv B L f dl f cos qdl fS cos q fL qvBL S S X Lavoro della forza • Affinché la sbarra proceda di moto uniforme è necessario che ci sia una sorgente esterna di energia (meccanica) • L’energia che fa circolare la corrente non proviene dal campo B: esso solo converte l’energia meccanica in energia elettrica Fem dinamica • Il lavoro eseguito dalla forza su una carica q trasportata lungo tutta la sbarra è L f dl qv B dl C C • Il lavoro per unità di carica è la fem dinamica L 1 E f dl v B dl vBL q qC C fem dinamica • E` dovuta al moto in un campo magnetico • La fem dinamica e` indotta su un conduttore in moto, anche se il circuito non e` chiuso e quindi non e` percorso da corrente Spira in moto in un campo B • Spira di dimensioni b e h • Campo uniforme: gli elettroni su ciascun lato sentono la stessa forza • Risultato: c’è accumulo di carica sui lati vicino e lontano • La fem totale è nulla: – sui lati vicino e lontano la forza è perp. allo spostamento – La forza è uguale sui lati destro e sinistro, percorsi in verso opposto B --------- v +++++++++ E v B dl 0 C Spira in moto in un campo B B1 • Campo non uniforme: f1 gli elettroni sul lato sinistro e destro sentono le forze f1 qv B1 • La fem lungo la spira B2 f2 v f 2 qv B2 E v B dl C v B1 dl v B2 dl Ls Ld vB1h vB2 h vB1 B2 h Relazione tra fem e variazione di flusso B1 B2 • Nel tempo dt il circuito si sposta di vdt • Il flusso diminuisce a sinistra e aumenta a v dt destra risp. di B2hvdt B1hvdt • La variazione di d B1 B2 hvdt flusso totale è quindi • Confrontando con d E B1 B2 hv l’espressione dt precedente della fem Legge di Lenz e forza su una spira • La fem fa fluire corrente nel circuito B1 F1 B2 F2 v • Se c’è resistenza, un po’ di energia viene dissipata in calore • I lati della spira sono sottoposti a forze: F2 per il lato a destra e F1 per il lato a sinistra • F1 è maggiore di F2 e la forza risultante si oppone al moto • Per mantenere la spira a velocità costante ci vuole un agente esterno che fornisca energia • Questa energia si ritrova alla fine come calore nel filo Legge di Lenz e conservazione dell’energia • Se fosse vero l’opposto della legge di Lenz, la forza agente sulla spira ne farebbe aumentare la velocità • Questo porterebbe ad un aumento della forza acceleratrice, creando una situazione a feedback positivo • Come conseguenza l’energia non si conserverebbe, ma aumenterebbe