sabato 28 aprile 2018

SPIRA PERCORSA DA CORRENTE IN UN CAMPO MAGNETICO

Consideriamo una spira rettangolare di dimensioni dxh percorsa da una corrente i ed  immersa in un campo B parallelo al piano della spira.
Sui lati della spira perpendicolari al campo B si crea una coppia di forze date da F=i∙hB. Sui lati paralleli alle linee del campo B la forza è nulla.
Il braccio della forza è d/2 e quindi: M=2Fd/2=ihBd
La superficie della spira è : A=hd
e quindi il momento si esprime anche come :M=AiB 
Quando la spira è inclinata di un angolo alfa rispetto al campo il momento diventa:
applet funzionamento motore elettrico: CLICCA QUI

ESPERIMENTO del MOTORE ELETTRICO

mercoledì 25 aprile 2018

FORZA MAGNETICA SU UNA CORRENTE

Consideriamo un filo rettilineo di lunghezza L percorso da corrente i immerso in un campo magnetico B. La corrente è formata da cariche che si muovono con velocità v e quindi risentono della forza di Lorentz se inserite in campo magnetico B. (vedi Forza di Lorentz)
Dunque la stessa corrente in presenza di un campo magnetico risente di una forza magnetica.
Il valore della forza si ottiene considerando la carica:

dove L è la lunghezza della corrente rettilinea Se si tiene conto dei vettori e che la forza di Lorentz è data da: 
si ottiene:

 
dove iL si pensa come vettore avente la direzione e il verso della corrente e intensità iL . 


Con la solita regola della mano destra, dal verso positivo di F si vede il vettore corrente iL ruotare avvicinandosi a B nel verso antiorario. Se un filo percorso da corrente viene inserito tra due poli magnetici viene spinto fuori trasversalmente.(vedi video sotto)




 
Una conseguenza di quanto visto è che anche due correnti interagiscono tra loro. Consideriamo due fili rettilinei di lunghezza L percorsi rispettivamente di una corrente i1 e i2 e posti paralleli ad una distanza d. (vedi figura)
 
Se le correnti hanno lo stesso verso, la corrente i1 genera un campo magnetico B1 con linee di forza circolari. Il campo B1 risulta entrante sulla corrente i2. Per quanto visto la corrente i2 risente di una forza :
e per la terza legge della dinamica la corrente i1 risente di una forza uguale e contraria. Le forze sono attrattive quando le correnti hanno lo stesso verso e repulsive quando le correnti sono opposte. 
 Vedi il video sotto:

 

PROBLEMI:


giovedì 19 aprile 2018

ESPERIMENTO DI OERSTED 1820

Esiste una relazione tra il campo elettrico e campo magnetico?


Il fisico olandese Orsted nel 1820 eseguì un esperimento che dimostra una relazione tra una CORRENTE e MAGNETE.
Nelle vicinanze di un filo percorso da corrente un ago magnetico ruota fino a disporsi perpendicolare al filo.




dall'esperimento si deduce che una corrente genera un campo magnetico.
L’effetto di una corrente su un magnete NON È RAPPRESENTATO DA UNA FORZA CHE AGISCE SECONDO LA CONGIUNGENTE i due elementi (corrente – magnete), ma da una coppia di forze che, agendo sui poli dell’ago, tende a ruotarlo rispetto al filo senza avvicinarlo a esso.
Da ciò si capisce che le linee del campo magnetico magnetico generato dal filo sono circonferenze aventi il centro sul filo e giacenti su piani ortogonali al filo stesso con verso antiorario se visto dal verso positivo della corrente.

spettro del campo magnetico generato dalla corrente

 Il valore del campo B ad una distanza r dal filo è:
 𝝻₀=4𝞹10⁻⁷ Tm/A è la permeabilità magnetica nel vuoto
cioè B è direttamente proporzionale alla corrente e inversamente proporzionale alla distanza dal filo .

importanza storica dell'esperimento di Oersted

FUNZIONAMENTO DEL CICLOTRONE

Esso consiste di una cavità metallica cilindrica piatta divisa in due metà D1 e D2, posta in un campo magnetico uniforme B, parallello all'asse.

 
Le due cavità sono isolate e sono connesse ai poli di un generatore che fornisce una tensione ALTERNATA del tipo V=Vo cos(𝜔t).


Quando la particella attraversa la regione tra le due D in cui c'è campo elettrico VIENE ACCELERATA CON ACCELERAZIONE a= qE/m (F=ma=qE) e aumenta la sua velocità, entra nel campo magnetico e compie una traiettoria semicircolare.

Se 𝝙V è la d.d.p. tra le armature allora al primo passaggio : q∙𝝙V=1/2 m∙v₁² (legge di conservazione dell'energia) e si ottiene la velocità :


Il raggio dell'orbita è data invece da : r₁=mv₁/qB (forza di Lorentz)

Nel frattempo la polarità tra i due conduttori si è invertita e la carica si trova di nuovo attratta dalla polarità di segno opposto.
Al secondo passaggio della carica tra le armature la velocità diventa:



Essendo q∙𝝙V=1/2 m∙v₁².

E quindi:


All'n-esimo passaggio la velocità è:





Il periodo della carica è :


rimane costante perchè non dipende dalla velocità. Infatti dalla uguaglianza: mv²/R=qvB si ottiene R/v=m/qB e sostituito fornisce l'espressione di T che dipende solo dalla massa , dalla carica e dal campo magnetico B. La carica impiega sempre lo stesso tempo per percorrerre la sua traiettoia semicircolare. Basterà quindi fissare una frequenza del generatore uguale a quella della particella .


Simulatore







ESPERIMENTO DI THOMSON: SCOPERTA DEGLI ELETTRONI


1884 : Edison scopre l’effetto termoelettronico. Un filo metallico incandescente è capace di emettere dei particolari raggi detti "RAGGI CATODICI” perchè emessi dal catodo che è l'elettrodo negativo.


Dal 1880 al 1896: J.J. Thomson studia la natura dei raggi catodici e scopre che sono particelle cariche perché deviate da un campo elettrico. Usando il campo magnetico dimostra che sono cariche negative da come sono deviate.





Nel suo celebre esperimento del 1896 determina il rapporto carica massa di queste particelle che chiama ELETTRONI. Ricordiamo che il rapporto q/m carica-massa identifica in modo univoco la particella. Nel 1905 Millikan determina il valore della carica elementare e ritrova lo stesso rapporto carica massa trovato da Thomson. Quindi si dimostrò che gli elettroni sono i portatori della carica elementare .


ESPERIMENTO:




Thomson usa un tubo (di Crookes) a raggi catodici. Dal catodo viene emesso un fascio di raggi catodici per effetto termoelettronico. I raggi attraversano con una certa velocità il campo elettrico E generato dalle armature di un condensatore. Il raggio viene deviato e la deflessione verticale si può misurare sulla seconda estremità del tubo di Crookes.



Le particelle entrano con velocità v₀ in campo elettrico ortogonale E (condensatore piano).
Subiscono una deflessione d misurabile sullo schermo.




Si ricava il tempo che impiegano per uscire dal condensatore di lunghezza L tenuto conto che la componente del moto nella direzione orizzontale è uniforme: t=L/v₀ . Il tempo trovato si sostituisce nella legge oraria del moto uniformemente accelerato nella direzione verticale ottenendo:



Da questa si può ricavare il rapporto carica massa:



dove y è la deflessione che si può leggere nello schermo dello strumento, E è il campo elettrico applicato.

Manca solo il valore della velocità iniziale v₀ degli elettroni.
Per determinare v₀ si sovrappone al campo elettrico E un campo magnetico B generato da delle bobine percorse da corrente in modo che le linee di forza di B risultino perpendicolari a quelle del campo elettrico e alla direzione del fascio.
Le particelle subiscono così la forza di Lorentz diretta nella stessa direzione del campo E ma in verso opposto.
Si regola la corrente nelle bobine e quindi si regola il campo B fino a quando la deflessione ritorna a zero. La condizione di equilibrio è:



http://www.esperimentifisica.cloud/Thomson/Thomson.html
applet : clicca qui

mercoledì 11 aprile 2018

IL MAGNETISMO

Il magnetismo è caratterizzato da due tipi di forza diversa: REPULSIVA e ATTRATTIVA
Ogni magnete è caratterizzato da una estremità detta POLO NORD e da una detta POLO SUD.

Poli magnetici opposti si attirano mentre poli dello stesso tipo si respingono.




Anche il pianeta Terra è un "grande " magnete come scoprì Gilbert nel 1600.
William Gilbert  (1544, 1603)

Per definizione il polo nord del magnete è quello che, se libero di ruotare si orienta verso il polo nord geografico. Quindi il polo sud magnetico si trova in prossimità del polo nord geografico.

Inoltre il polo magnetico terrestre non coincide perfettamente con il polo geografico ma è spostato di circa 11° rispetto all'asse dei rotazione della Terra. La posizione dei poli magnetici terrestri non è sempre stata la stessa. Periodicamente si verifica un'inversione della polarità magnetica come dimostrato dallo studio dei cristalli presenti nelle rocce. (per saperne di più del MAGNETISMO TERRESTRE clicca qui). Il campo magnetico terrestre crea uno schermo protettivo contro il vento solare ed è indispensabile per garantire la vita sul nostro pianeta. Su alcuni pianeti come Marte non è presente nessun campo magnetico.

 
Una manifestazione del magnetismo terrestre sono le aurore boreali generate dalle particelle cariche del vento solare catturate dal campo magnetico più inteso presente ai poli.(clicca qui)



I poli del magnetici sono indivisibili: se spezziamo in due parti il magneti otteniamo due magneti con tutti e due poli magnetici.



Questa è una importante differenza con il campo elettrico .
Quando un magnete risente di una forza diciamo che siamo in presenza di un CAMPO MAGNETICO. Il campo magnetico si può rappresentare con delle linee di forza.
Sperimentalmente si possono evidenziare le linee di forza del campo magnetico ponendo della limatura di ferro su un cartoncino posto sopra un magnete. La limatura si comporta come un insieme di aghi magnetici che in presenza del campo si orientano lungo le linee di forza.

Le linee del campo magnetico sono sempre linee chiuse : escono dal polo Nord ed entrano nel polo Sud .
La magnetizzazione può avvenire per strofinio, per contatto e per induzione.

Si possono magnetizzare oggetti di ferro, acciaio, nichel e loro derivati. Con il riscaldamento a temperatura elevata i corpi magnetizzati perdono il proprio potere magnetico.
Esiste una relazione tra Elettricità e magnetismo ?
I navigatori del 1500 si erano accorti che le bussole impazzivano durante i temporali quando vicino cadevano i fulmini.


applet: simula il campo magnetico generato dal magnete o dalla Terra
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Tratto dal FILM "The Core" 2003