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M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 1 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI (ultima modifica 25/10/2012) La legge di Biot-Savart e applicazioni In molte.

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1 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 1 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI (ultima modifica 25/10/2012) La legge di Biot-Savart e applicazioni In molte applicazioni è richiesta la determinazione del campo magnetico dovuto a un circuito attraversato dalla corrente I. Nel caso semplice di un filo sottile con sezione trasversale di area S, dv =S dl, attraversato da una corrente I: S dl dvdv I

2 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 2 si ha: e lespressione del potenziale vettore funzione della densità di corrente con un integrale volumico si semplifica in una relazione funzione di I con un integrale lineare dove il simbolo di integrale circolare indica che la corrente fluisce in un circuito chiuso C.

3 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 3 La densità di flusso magnetico é dunque: essendo: E molto importante notare che loperatore rotore comporta il calcolo delle derivate rispetto alle coordinate spaziali del punto del campo, e che loperatore integrale è fatto rispetto alle coordinate della sorgente.

4 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 4 Lintegrando può essere espanso in due termini usando la seguente identità: Si ha ponendo f = 1/R e G = dl; ora poiché le coordinate utilizzate per il calcolo del rotore e quelle usate per il calcolo dellintegrale sono indipendenti, é uguale a zero e il primo termine del secondo membro si annulla.

5 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 5 La distanza R é misurata da dl, a partire da (x,y,z) sino al punto del campo (x,y,z). Quindi si ha: dove é il vettore unitario diretto dal punto sorgente al punto del campo.

6 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 6 Sostituendo nella espressione precedente di si ottiene: questa relazione é nota come equazione di Biot-Savart. La formula della legge di Biot-Savart, consente di determinare dovuta alla corrente I concatenata dal percorso chiuso C ed è stata ottenuta calcolando il rotore della espressione potenziale vettore espresso in funzione della corrente, essendo:

7 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 7 In alcuni casi é conveniente scrivere lequazione in due passi successivi: é la densità di flusso magnetico dovuta alla corrente elementare I dl.

8 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 8 Una forma alternativa della legge di Biot-Savart, talvolta più conveniente é: Confrontando lespressione di con lespressione della legge della circuitazione di Ampere, si vede come la legge di Biot- Savart è più difficile da applicare. Ma lapplicazione della legge della circuitazione di Ampere: é limitata perché utilizzabile, nota I, per determinare, solo se può essere definito un percorso chiuso lungo il quale ha ampiezza costante.

9 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 9 Dipolo magnetico Per determinare il momento di un dipolo magnetico si determina la densità del flusso magnetico in un punto posto ad una certa distanza da una spira circolare elementare di raggio b, attraversata dalla corrente I, che costituisce un dipolo magnetico. Si vuole determinare in P la cui distanza R dal centro della spira soddisfi la relazione R>>b, (ciò comporta semplificazioni). Si sceglie inoltre il centro della spira come origine delle coordinate sferiche: z x y P(R, ; /2) R R1R1 I dl P b

10 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 10 Si determina da prima e quindi, dalla relazione: dove R 1 indica la distanza tra la sorgente elementare dl in P e il punto P. Si dimostra che: e dalla relazione: si ottiene: simile alla espressione del campo elettrico per un dipolo elettrico:

11 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 11 Si noti come nei punti distanti dai dipoli elettrico e magnetico: le linee di flusso magnetico sono le stesse per il campo elettrico e magnetico rispettivamente, mentre in prossimità dei dipoli: le linee di flusso del dipolo magnetico sono continue, mentre le linee di flusso del dipolo elettrico terminano sulle cariche, partendo dalla carica positiva verso la carica negativa.

12 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 12 Inoltre definendo il momento magnetico del dipolo come: infatti: Quindi per i punti P la cui distanza dal centro della spira R>>b

13 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 13 Il vettore potenziale presenta una analogia con il potenziale scalare V Quindi per i punti P la cui distanza dal centro della spira R>>b Lespressione della densità di flusso magnetico appare così ancora più simile alla espressione del campo elettrico per un dipolo elettrico:

14 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 14 Potenziale magnetico scalare In una regione dello spazio priva da correnti lequazione: diventa: per cui la densità di flusso magnetico è irrotazionale e può essere espressa come il gradiente di un campo scalare. Si ponga: dove V m é chiamato potenziale magnetico scalare (espresso in ampere).

15 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 15 Il segno negativo é convenzionale come per lanaloga definizione del potenziale elettrico scalare: la permeabilità nel vuoto 0 é semplicemente una costante di proporzionalità. In maniera analoga alla equazione della differenza di potenziale elettrico tra due punti P 2 e P 1 nel vuoto: possiamo esprimere la differenza di potenziale magnetico scalare tra due punti P 1 e P 2 nel vuoto:

16 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 16 Per analogia con il modello elettrostatico, ipotizzando la presenza di cariche magnetiche in un volume V, con una densità volumica m [A/m 2 ], il potenziale magnetico V m si potrà determinare in funzione di m con la relazione: La densità di flusso magnetico potrebbe determinarsi dalla relazione:

17 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 17 Sebbene non siano state mai rilevate sperimentalmente cariche magnetiche isolate, esse possono essere considerate come cariche magnetiche fittizie in un modello matematico, non fisico. Ciò é conveniente: sia per la discussione di alcune relazioni magnetostatiche nei termini delle nostre conoscenze sullelettrostatica mediante le analogie, che per stabilire un collegamento tra il punto di vista del tradizionale polo magnetico del magnetismo e il concetto delle correnti di circolazione microscopiche come sorgenti di magnetismo.

18 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 18 Il campo magnetico di una piccola barra magnetica è analogo a quello di un dipolo magnetico. Ciò può essere verificato sperimentalmente esaminando i contorni di spire avvolte intorno a un magnete. Linterpretazione tradizionale è che la posizione delle cariche magnetiche positive e negative, sia rispettivamente nellestremità (polo nord e polo sud) di un magnete permanente.

19 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 19 Il campo magnetico di una piccola barra magnetica è analogo a quello di un dipolo Per una barretta magnetica si assume che le cariche magnetiche fittizie +q m e -q m, siano separate da una distanza d e che formino un dipolo magnetico equivalente al momento di una spira di sezione S attraversata dalla corrente I: z y P(R, ; /2) R R1R1 I dl P b x S +q m -q m d

20 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 20 Il potenziale magnetico scalare V m dovuto a questo dipolo magnetico si può quindi determinare seguendo una procedura analoga a quella usata per determinare il potenziale elettrico scalare dovuto a un dipolo elettrico: Analogamente a come é stata ottenuta lequazione precedente, si ottiene il potenziale magnetico scalare dovuto a un bipolo magnetico come: Sostituendo lespressione della V m nella relazione :

21 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 21 Per la densità di flusso magnetico si ottiene la stessa espressione di ottenibile dal potenziale magnetico vettoriale, data dalla: Si noti che lespressione del potenziale magnetico scalare V m per un dipolo magnetico è esattamente analoga a quella del potenziale elettrico scalare V per un dipolo elettrico, mentre lanalogia tra il vettore potenziale magnetico e il potenziale elettrico scalare V di un dipolo elettrico, non è però esatta.

22 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 22 Si è visto che lirrotazionalità di indicata nellequazione: attraverso la quale si definisce il potenziale magnetico scalare V m, è valida soltanto nei punti dove non circolano correnti. In una regione dove sono presenti correnti, il campo magnetico non è conservativo, ma e il potenziale scalare magnetico V m non è una funzione univoca (single-value function). Quindi la differenza di potenziale magnetico calcolata in base alla relazione: dipende dal percorso di integrazione.

23 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 23 Per questi motivi, per studiare i campi magnetici nei materiale magnetici, si userà: lapproccio della corrente di circolazione I e del potenziale vettore, al posto dellapproccio della carica magnetica fittizia q m e del potenziale scalare V m. Si attribuiscono le proprietà macroscopiche di una barretta magnetica alle correnti atomiche di circolazione (correnti amperiane) causate da elettroni che orbitano e ruotano su se stessi (orbiting and spinning).

24 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 24 Magnetizzazione e densità di corrente equivalenti Secondo il modello elementare atomico della materia, tutti i materiali sono composti di atomi, ciascuno con un nucleo carico positivamente e un numero di elettroni carichi negativamente che orbitano intorno al nucleo. Gli elettroni che orbitano, causano correnti di circolazione e formano microscopici dipoli magnetici. Inoltre, sia gli elettroni che i nuclei di un atomo ruotano intorno ai loro assi (spin) con determinati momenti di dipolo magnetici.

25 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 25 Il momento di un dipolo magnetico di un nucleo che ruota su se stesso (spinning) è generalmente trascurabile rispetto a quello di un elettrone che orbita o ruota su se stesso, perché il nucleo ha una massa maggiore e una velocità angolare minore. Per comprendere a pieno gli effetti magnetici dei materiali occorre conoscere la meccanica quantistica. In assenza di un campo magnetico esterno i dipoli magnetici degli atomi della maggior parte dei materiali, (fatta eccezione per i magneti permanenti) presentano orientazioni casuali, con un momento magnetico netto risultante nullo. Lapplicazione di un campo magnetico esterno causa sia lallineamento dei momenti magnetici degli elettroni che ruotano su se stessi e un momento magnetico indotto dovuto alla variazione del movimento orbitale.

26 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 26 Per ottenere la formula per la determinazione della variazione quantitativa della densità di flusso magnetico dovuta alla presenza di materiali magnetici, essendo: momento del dipolo magnetico di un atomo, n numero di atomi per unità di volume, si definisce vettore di magnetizzazione : che è la densità volumica del momento del dipolo magnetico.

27 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 27 Il momento del dipolo magnetico di un volume elementare dv è:, che in accordo con la relazione: da luogo ad un potenziale magnetico vettoriale: Si dimostra che: dove V è il volume del materiale magnetizzato e è il vettore unitario normale uscente da ds e S è la superficie che delimita il volume V.

28 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 28 Il confronto tra la relazione: con la relazione: dove è espresso in termini di densità volumica di corrente, suggerisce che: leffetto del vettore di magnetizzazione é equivalente sia una densità di corrente volumica, che a una densità di corrente superficiale rispettivamente:

29 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 29 Quindi la determinazione della densità di flusso magnetico dovuto a una assegnata densità di momento del dipolo magnetico si riduce alla determinazione delle correnti di magnetizzazione: le cui espressioni sono facilmente derivabili, per poi determinare dalla relazione: e quindi ottenere calcolando il rotore di :

30 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 30 Lequivalenza della densità volumica del momento del dipolo magnetico con la densità di corrente volumica e la densità di corrente superficiale può essere qualitativamente spiegata considerando una sezione di materiale magnetizzato. Si assume che un campo magnetico esterno ha causato le correnti di circolazione. La forza di questo effetto di magnetizzazione é misurata con il vettore. Sulla superficie del materiale ci sarà una densità di corrente M, uscente dal foglio

31 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 31 Se é uniforme allinterno del materiale le correnti nei bipoli atomici adiacenti, che fluiscono in direzioni opposte, si annullano ovunque producendo delle correnti nette nulle allinterno. Ciò é insito nella equazione: poiché le derivate spaziali di una costante sono nulle. Se varia nello spazio, le correnti atomiche interne non si annullano, dando luogo a una densità di corrente volumica netta E possibile giustificare le relazioni quantitative tra e le densità di corrente derivando le correnti atomiche sulla superficie e allinterno del materiale magnetico.

32 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 32 Densità di carica di magnetizzazione equivalente Si é visto come in una regione dove non circolano correnti si può definire un potenziale magnetico scalare V m, attraverso il quale si può determinate la densità di flusso magnetico differenziando, secondo lequazione: In termini di vettore di magnetizzazione (densità volumica del momento del dipolo magnetico) si può scrivere:

33 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 33 Integrando la relazione precedente: si dimostra: dove é la normale uscente dallelemento superficiale ds del corpo magnetico.

34 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 34 Per i campi elettrostatici il potenziale elettrico dovuto a un dielettrico polarizzato può essere calcolato dalla distribuzione di cariche superficiali o volumiche: con: analogamente un corpo magnetizzato può essere sostituito da una equivalente (fittizia) densità di carica superficiale di magnetizzazione ms e una equivalente densità di carica volumica di magnetizzazione m tale che.

35 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 35 Intensità del campo magnetico e permeabilità relativa Poiché lapplicazione di un campo magnetico esterno provoca: un allineamento dei momenti dei dipoli interni e induce un momento magnetico in un materiale magnetico, la densità del flusso magnetico risultante in presenza di un materiale magnetico sarà diversa da quella che il campo genera nel vuoto. Leffetto macroscopico della magnetizzazione può essere studiato incorporando la densità di corrente equivalente volumica J m nella equazione rotorica di base valida per il vuoto, ottenendo:

36 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 36 Campo elettrostaticoCampo magnetico

37 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 37 Esaminando le relazioni precedenti si vede che quando il campo si sviluppa nella materia, le cariche elettrostatiche e magnetiche, presenti nella materia, interagiscono con i rispettivi campi elettrostatici e magnetici alterandone la distribuzione rispetto a quella che si avrebbe nel vuoto.

38 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 38 Per tenere conto di questo fenomeno fisico nelle espressioni di: si introducono rispettivamente il vettore di polarizzazione o momento elettrico e il momento magnetico. Inoltre si noti come nelle relazioni dei modelli al prodotto scalare corrisponde il prodotto vettoriale.

39 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 39 Si definisce la grandezza fondamentale, lintensità del campo magnetico: Luso del vettore consente di scrivere una equazione rotorica che mette in relazione il campo magnetico e la distribuzione delle correnti di circolazione in ciascun mezzo, senza dover specificare il vettore di magnetizzazione o la densità di corrente volumica. Combinando questa equazione con si ottiene: con é la densità volumica nel vuoto delle correnti di circolazione.

40 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 40 Le equazioni del modello del campo nel vuoto: nella materia diventano le equazioni generali del modello del campo, valide anche nel vuoto per :

41 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 41 Le equazioni generali del modello del campo, determinate: esprimono le due equazioni differenziali fondamentali della magnetostatica. La permeabilità del mezzo μ non compare esplicitamente in queste due equazioni. Legge della circuitazione di Ampere Calcolando lintegrale superficiale scalare di entrambi i membri della seconda equazione si ha:

42 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 42 e applicando il teorema di Stokes si ottiene: dove: C é il contorno che delimita la superficie S e I é la corrente totale di circolazione che attraversa la superficie S. Le direzioni e i versi del contorno orientato C e del flusso della corrente seguono la regola della mano destra. Questa relazione esprime la legge della circuitazione di Ampere per la quale: la circuitazione della intensità del campo magnetico lungo un percorso chiuso, é uguale al flusso delle correnti di circolazione attraverso la superficie delimitata dal percorso.

43 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 43 La legge della circuitazione é molto utile per la determinazione di campi magnetici dovuti alla corrente, quando esistono simmetrie cilindriche, cioè quando esiste un percorso chiuso intorno alla corrente nel quale il campo magnetico é costante. Quando le proprietà magnetiche del mezzo sono lineari e isotrope il momento magnetico é direttamente proporzionale alla intensità del campo magnetico attraverso la relazione costitutiva: dove é un quantità adimensionale chiamata suscettività magnetica.

44 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 44 e sostituendo nella relazione:

45 M. Usai 5b_EAIEE_CAMPI MAGNETICI STATICI 45 Si sono così trovate delle relazioni analoghe tra le grandezze elettrostatiche e quelle magnetostatiche, in base alle quali la maggior parte delle equazioni che legano le grandezze fondamentali in elettrostatica possono essere convertite nelle corrispondenti relazioni analoghe nella magnetostatica. Elettrostatiche Magnetostatiche


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