Uploaded by Ema Boicu

BIOT SAVART LAW

advertisement
Curs 11
Petrescu Emil
Facultatea de Ingineria Sistemelor Biotehnice
1
Legea lui Ohm
S¼
a consider¼
am un conductor de lungime l şi secţiune S la cap¼
atul c¼
aruia se aplic¼
a
o diferenţ¼
a de potenţial egal¼
a cu U: Câmpul electric în interiorul conductorul
este:
U
E=
l
Acest câmp determim¼
a apariţia unei densit¼
aţi de curent egal¼
a cu:
j= E
(1)
Deoarece j = I=S şi E = U=l relaţia (1) se poate scrie ca:
I
=
S
U
l
(2)
de unde:
l
I = RI
S
M¼
arimea R poart¼
a numele de rezistenţ¼
a:
U=
R=
l
S
(3)
(4)
Rezistenţa se m¼
asoar¼
a în Ohmi ( ) :
1V
1A
poart¼
a numele de rezistivitate:
1
Inversa conductivit¼
aţii
=
=
Pentru metale rezistivitatea
1
(5)
depinde de temperatur¼
a dup¼
a legea:
=
0
(1 + t)
(6)
unde 0 este rezistivitatea la 0 C şi este coe…cientul de variaţie cu temperatura al rezistivit¼
aţii. În Tabelul 5.3 sunt prezentate o serie de valori ale lui 0
şi :
1
Valori ale rezistivit¼
aţii
Material
Argint
Cupru
Aur
Aluminiu
Tungsten
Fier
Platin¼
a
Plumb
Carbon
2
Tabelul 5.3
şi a coe…cientului de variaţie a rezistivit¼
aţii cu
temperatura
C 1
3; 8 10 3
3; 9 10 3
3; 4 10 3
3; 9 10 3
4; 5 10 3
5; 0 10 3
3; 92 10 3
3; 9 10 3
0; 5 10 3
[ m]
1; 59 10 8
1; 7 10 8
2; 44 10 8
2; 82 10 8
5; 6 10 8
10 10 8
11 10 8
11 10 8
3500 10 8
Tensiunea electromotoare
Pentru menţinerea unui curent electric într-un circuit este necesar ca purt¼
atorii
de sarcin¼
a s¼
a …e acţionaţi de forţe care s¼
a le asigure deplasarea pe o durat¼
a de
timp su…cient de mare.
Sarcinile electrice transfer¼
a în mod continuu şi ireversibil energia lor atomilor
din nodurile reţelei cristaline prin efect Joule. Aceasta înseamn¼
a c¼
a pe lâng¼
a
forţele de natur¼
a electrostatic¼
a asupra sarcinilor acţioneaz¼
a şi forţe de natur¼
a
neelectrostatic¼
a numite forţe imprimate.
Ele iau naştere în anumite puncte ale circuitului în care se g¼
asesc surse de
tensiune electromotoare (pile electrice, acumulatoare care transform¼
a energia
liber¼
a prin diferite reacţii chimice în energie electric¼
a).
Forţele imprimate determin¼
a un câmp electric numit câmp electric imprimat
~
~ i = Fi
E
q
(7)
Câmpul electric total este suma dintre câmpul electric imprimat şi câmpul
electrostatic. Lucrul mecanic efectuat asupra unei sarcini care se deplaseaz¼
a din
punctul 1 în punctul 2 este:
L12 = q0
Z2
~ ~l + q0
Ed
1
Z2
~ i d~l
E
(8)
1
L12 = q0 (V1
V2 ) + q0 E12
unde cu E12 am notat tensiunea electromotoare
E12 =
Z2
1
2
~ i d~l
E
(9)
De…nim c¼
aderea de tensiune între punctele 1 şi 2:
U12 =
L12
= (V1
q
V2 ) + E12
(10)
Se observ¼
a c¼
a dac¼
a tensiunea electromotoare este nul¼
a, c¼
aderea de tensiune
este egal¼
a cu diferenţa de potenţial. Pentru un circuit închis
I
I
~
~
~ i d~l
L = q Edl + q E
(11)
Dar pentru un câmp electrostatic:
I
~ ~l = 0
Ed
(12)
Rezult¼
a c¼
a tensiunea electromotoare pe un circuit reprezint¼
a raportul dintre
lucrul mecanic efectuat pentru a deplasa sarcina q prin circuit şi acea sarcin¼
a:
I
L
~ i d~l
(13)
E= = E
q
Astfel tensiunea electromotoare ce acţioneaz¼
a într-un circuit este egal¼
a cu
lucrul mecanic necesar pentru a deplasa unitatea de sarcin¼
a pe întregul circuit.
3
Magnetism
Constatarea propriet¼
aţilor magnetice a fost f¼
acut¼
a înc¼
a din antichitate, numele
de magnet provenind de la numele unei regiuni din Asia Mic¼
a ”Magnesia”unde
se g¼
aseau roci cu astfel de propriet¼
aţi.
În 1269 un francez Piere de Maricourt a g¼
asit c¼
a direcţiile unor ace lâng¼
a
un magnet sferic natural formeaz¼
a linii care înconjoar¼
a sfera şi trec prin dou¼
a
puncte diametral opuse. Punctele respective au fost numite polii magnetului.
Experienţele ulterioare au ar¼
atat c¼
a indiferent de forma lor magneţii au doi
poli: nord (N) şi sud (S) care exercit¼
a forţe asupra polilor altui magnet. Astfel
interacţiile N-N şi S-S sunt de respingere în timp ce interacţiile N-S sunt întotdeauna de atracţie. Polii au primit numele datorit¼
a modului în care un magnet
(de exemplu o busol¼
a) se comport¼
a în prezenţa câmpului magnetic terestru.
Dac¼
a un ac magnetic este suspendat de centrul s¼
au şi se poate mişca liber în
plan orizontal, el se va roti pân¼
a ce polul s¼
au nord se va poziţiona c¼
atre polul
nord geogra…c şi polul sau sud se va poziţiona c¼
atre sudul geogra…c. Trebuie
remarcat c¼
a polul nord geogra…c din punct de vedere magnetic este un pol sud
iar polul sud geogra…c este din punct de vedere magnetic un pol nord.
În 1600 William Gilbert a realizat o serie de experienţe noi cu o varietate
de materiale. Utilizând faptul c¼
a magneţii se poziţioneaz¼
a într-o direcţie preferenţial¼
a, el a sugerat c¼
a P¼
amântul este un magnet uriaş.
În 1750 experimentele realizate cu o balanţ¼
a de torsiune au ar¼
atat c¼
a forţele
care se exercit¼
a între polii unor magneţi sunt invers proporţionale cu p¼
atratul
3
distanţei dintre polii care interacţioneaz¼
a. Deşi forţele între aceşti poli sunt
similare cu cele dintre sarcinile electrice cu privire la modul în care variaz¼
a cu
distanţa, un singur pol magnetic nu a putut … izolat aşa cum sarcinile pozitive
şi cele negative pot … izolate. Astfel dac¼
a se taie un magnet de-a lungul unui
plan perpendicular pe axa ce uneşte cei doi poli se obţin doi magneţi.
În anul 1820 Hans Christian Öersted a g¼
asit o leg¼
atur¼
a între electricitate
şi magnetism. El a descoperit c¼
a dac¼
a se aduce un ac magnetic în apropiera
unui conductor prin care trece un curent electric, asupra acului magnetic se va
exercita o forţ¼
a. La puţin timp de la descoperirea lui Öersted, Ampère a ar¼
atat
c¼
a între doi conductori str¼
ab¼
atuţi de curent electric se exercit¼
a forţe de atracţie
sau de respingere în funcţie de sensul curenţilor. Ele nu au aceiaşi natur¼
a ca
şi forţele care se exercit¼
a între sarcinile electrice. Dac¼
a se introduce o plac¼
a
metalic¼
a între cei doi conductori forţa de interacţie dintre ei nu se modi…c¼
a. S-a
presupus c¼
a o astfel de forţa are aceiaşi natur¼
a ca şi forţa care se exercit¼
a între
un conductor parcurs de curent electric şi un ac magnetic.
Pentru a g¼
asi o corespondenţ¼
a între un ac magnetic şi un conductor str¼
ab¼
atut
de un curent electric, Ampère a presupus c¼
a acul magnetic conţine un num¼
ar
foarte mare de curenţi microscopici (care formeaz¼
a mici bucle de curent) pe care
i-a denumit curenţi moleculari.
Ulterior Maxwell a a…rmat c¼
a astfel de forţe se exercit¼
a între orice sarcini
electrice în mişcare. Aceste forţe pot … atribuite existenţei în jurul sarcinilor
în mişcare a unui câmp numit câmp magnetic. În consecinţ¼
a putem a…rma c¼
a
sursele câmpului magnetic sunt sarcinile electrice în mişcare.
3.1
Forţa Lorentz. Inducţia câmpului magnetic.
~ numit inducţie a
Câmpul magnetic poate … descris cu ajutorul unui vector B
~
câmpului magnetic. Direcţia lui B este direcţia în care se poziţioneaz¼
a un ac
magnetic în punctul respectiv. Ca şi în cazul câmpului electric vom putea de…ni
~ este tangent în
liniile de câmp magnetic ca …ind curbele la care vectorul B
…ecare punct. În Fig. 1a sunt reprezentate liniile de câmp ale unui magnet în
form¼
a de bar¼
a. Experimental ele se pot trasa cu ajutorul unei busole.
Pentru de…nirea inducţiei câmpului magnetic se utilizeaz¼
a forţa Lorentz f~l
care este forţa care acţioneaz¼
a asupra unei particule ce se deplaseaz¼
a în câmp
magnetic cu viteza ~v (Fig. 1b). Experimental s-a demonstrat c¼
a:
f~l = q ~v
~
B
(14)
Relaţia (14) poate … privit¼
a ca o relaţie de de…niţie pentru inducţia câmpului
magnetic. În Fig (??b) sunt prezentate direcţia şi sensul forţei Lorentz pentru
o sarcin¼
a pozitiv¼
a. M¼
arimea forţei Lorentz este:
fl = qvB sin
(15)
Deoarece forţa Lorentz este perpendicular¼
a pe vitez¼
a ea este perpendicular¼
a
şi pe deplasare. Astfel lucrul mecanic efectuat de forţa Lorentz este nul. Atunci
conform teoremei variaţiei energiei cinetice rezult¼
a c¼
a variaţia energiei cinetice
4
Figure 1: a) Liniile de câmp ale unui magnet. b) Direcţia forţei Lorentz faţ¼
a de
direcţiile vitezei şi câmpului magnetic
Figure 2: Mişcarea elicoidal¼
a a unei sarcini care intr¼
a sub un unghi diferit de
=2 într-un câmp magnetic.
a unei particule înc¼
arcate în câmp magnetic este nul¼
a. În câmp magnetic poate
varia doar direcţia vitezei unei particule înc¼
arcate nu şi m¼
arimea sa.
Din relaţia 15 rezult¼
a c¼
a unitatea de m¼
asur¼
a pentru B care poart¼
a numele
de Tesla este
N
N
T=
=
C m/s A m
O unitate tolerat¼
a este gaussul (G):
1T = 104 G
Aplicaţie
S¼
a se determine ce fel de mişcare execut¼
a o particul¼
a de mas¼
a m înc¼
arcat¼
a cu
sarcina q care intr¼
a cu viteza ~v sub un unghi într-un câmp magnetic uniform
~
de inducţie B.
Soluţie:
5
Se descompune viteza ~v în dou¼
a componente astfel : ~v? dup¼
a o direcţie
~ şi ~vk dup¼
~ (Fig.
perpendicular¼
a pe direcţia vectorului B
a direcţia vectorului B
2 ). Atunci ~v? determin¼
a o mişcare circular¼
a a particulei deoarece tot timpul
~ şi ~v? ? B
~ forţa
forţa Lorentz este perpendicular¼
a pe vitez¼
a. Deoarece f~l ? B
Lotentz şi viteza se a‡a¼ în acelaşi plan. Rezult¼
a c¼
a forţa Lorentz este o forţ¼
a de
tip centripet:
2
mv?
R
Din aceast¼
a relaţie rezult¼
a raza mişc¼
arii circulare:
qv? B =
R=
mv sin
mv?
=
qB
qB
Componenta ~vk determin¼
a o mişcare uniform¼
a a particulei în lungul direcţiei
~ deoarece aceast¼
lui B
a component¼
a nu determin¼
a apariţia unei forţe Lorentz:
f~l = qvk B sin 0 = 0
Prin suprapunerea mişc¼
arii uniforme şi a mişc¼
arii circulare se obţine în acest
caz o mişcare elicoidal¼
a.
O caracteristic¼
a a acestei mişc¼
ari este pasul elicei care reprezint¼
a deplasarea
~ în cursul unei perioade (în timpul când se
particulei în lungul direcţiei lui B
execut¼
a o rotaţie complet¼
a).
p = vk T = vk
3.2
2 R
2 mv
cos
=
v?
qB
Forţa electromagnetic¼
a
Dac¼
a asupra unei particule se exercit¼
a o forţ¼
a atunci când aceasta se deplaseaz¼
a
în câmp magnetic, este de aşteptat ca asupra unui conductor prin care trece un
curent a‡at în câmp magnetic s¼
a se exercite o forţ¼
a (Fig. 3). S¼
a consider¼
am
o porţiune de conductor prin care trece un curent I = neSv a‡at¼
a în câmp
magnetic. Asupra …ec¼
arei sarcini (în cazul nostru electroni) acţioneaz¼
a o forţ¼
a
Lorentz.
~
f~l = e ~v B
(16)
În porţiunea de conductor considerat¼
a num¼
arul de purt¼
atori de sarcini este:
N = nSl
unde n este concentraţia de electroni liberi, S este secţiunea conductorului şi
l lungimea conductorului. Atunci forţa total¼
a care acţioneaz¼
a asupra porţiunii
de conductor este
~
F~ = N f~l = nlSe ~v B
(17)
6
Figure 3: Modul în care apare forţa electromagnetic¼
a care acţioneaz¼
a asupra
unui conductor plasat în câmp magnetic.
Figure 4: Conductor de form¼
a oarecare în câmp magnetic uniform
Vom introduce în loc de ~v vectorul ~l care are modulul egal cu lungimea
porţiuni de conductor şi sensul vitezei. Putem scrie l~v = v~l:
Atunci
~
F~ = nvSe ~l B
(18)
F~ = I ~l
~
B
(19)
S¼
a consider¼
am un conductor având o form¼
a oarecare într-un câmp magnetic
uniform (Fig. 4).
Forţa care acţioneaz¼
a asupra porţiunii d~s este
dF~ = I d~s
~
B
(20)
unde dF~ este perpendicular pe planul hârtiei, înspre cititor. Ecuaţia poate
~
… considerat¼
a ca o ecuaţie alternativ¼
a pentru de…nirea câmpului magnetic B.
Forţa total¼
a care se exercit¼
a asupra conductorului este:
F~ = I
Z
b
d~s
a
unde a şi b reprezint¼
a capetele conductorului.
7
~
B
(21)
Figure 5: a) Bucl¼
a dreptunghiular¼
a în câmp magnetic uniform. b) Forţe ce
acţioneaz¼
a asupra unei bucle de curent a‡at¼
a în câmp magnetic când direcţia inducţiei câmpului magnetic este perpendicular¼
a pe direcţia normalei la suprafaţa
buclei. c) Forţe ce acţioneaz¼
a asupra unei bucle de curent a‡at¼
a în câmp magnetic când direcţia inducţie câmpului magnetic face un unghi oarecare cu direcţia
normalei la suprafaţa buclei
Consider¼
am cazul când conductorul formeaz¼
a o curb¼
a închis¼
a şi este plasat
într-un câmp magnetic uniform. Atunci
I
I
!
~ =I
~
F = I d~s B
d~s
B
(22)
Dar:
I
d~s = 0
(23)
Rezult¼
a F~ = 0. Putem concluziona c¼
a forţa electromagnetic¼
a care acţioneaz¼
a
asupra oric¼
arei bucle de curent a‡at¼
a într-un câmp magnetic uniform este nul¼
a.
3.3
Bucl¼
a de curent în câmp magnetic uniform
S¼
a consider¼
am o bucl¼
a de curent de form¼
a dreptunghiular¼
a într-un câmp magnetic uniform ca în Fig. 5a.
Asupra laturilor 1 şi 3 nu acţioneaz¼
a nici o forţ¼
a deoarece conductorii respectiv sunt paraleli cu liniile câmpului magnetic.
Forţele electromagnetice acţioneaz¼
a asupra laturilor 2 şi 4 deoarece acestea
sunt orientate perpendicular pe câmp. Valorile acestor forţe sunt:
F2 = F4 = IaB
8
(24)
Direcţiile lui F2 şi F4 sunt ar¼
atate în Fig. 5b. Forţele sunt egale paralele şi
actioneaz¼
a în sensuri contrare. Ele formeaz¼
a un cuplu de forţe care are tendinţa
s¼
a roteasc¼
a bucla în jurul axei d: Momentul cuplului faţ¼
a de aceast¼
a ax¼
a este:
M = F2
b
b
b
b
+ F4 = IaB + IaB = IaB = ISB
2
2
2
2
(25)
Când bucla este rotit¼
a câmpul magnetic şi normala fac un unghi de < 90o
ca în Fig 5c. Forţele F2 şi F4 acţioneaz¼
a pe aceiaşi direcţie în sensuri opuse şi
rezultanta lor este nul¼
a. Momentul cuplului care acţioneaz¼
a asupra buclei este:
b
b
b
b
M = F2 sin + F4 sin = IaB sin + IaB sin = ISB sin
2
2
2
2
(26)
unde S = ab: Generalizând, momentul care acţioneaz¼
a asupra unei bucle de
curent este:
~ B
~ = IS
~
~
~ =I S
B
(27)
M = IS ~n B
~ = S~n, iar ~n este normal¼
unde S
a pe suprafaţa buclei. Putem scrie
~ poart¼
M¼
arimea I S
a numele de moment magnetic de dipol:
~
m
~ = IS
(28)
Atunci momentul forţei care acţioneaz¼
a asupra buclei se poate scrie ca:
~ =m
M
~
~
B
(29)
Acest moment tinde s¼
a alinieze bucla perpendicular pe câmpul magnetic
Putem de…ni o energie potenţial¼
a a buclei de curent în câmpul magnetic
extern. Pentru aceasta trebuie calculat lucrul mecanic pe care îl efectueaz¼
a
câmpul asupra buclei când o roteşte cu un unghi.
L=
S-a ales
Z
2
Md =
1
Z2
mB sin d = mB(cos
2
cos
1)
(30)
1
d deoarece în cursul rotirii unghiul
Ep =
L = mB (cos
2
scade şi d < 0. Deoarece
cos
1)
(31)
Rezult¼
a:
Ep =
Consider¼
am c¼
a atunci când
Ep =
ISB cos + const:
(32)
= =2; Ep = 0, rezult¼
a:
mB cos =
9
~
m
~B
(33)
4
Probleme
1. Un …r lung de 2,8 m strab¼
atut de un curent de 5 A se a‡a¼ într-un câmp
magnetic de 0,390 T. Calculaţi forţa magnetic¼
a ce acţioneaz¼
a a asupra
…rului dac¼
a unghiul dintre …r şi câmpul magnetic este de 60 , 90 respectiv
120 .
2. Un proton se deplaseaz¼
a cu viteza v = (2~ex 4~ey +2~ez ) m=s: Într-o regiune
în care câmpul magnetic este B = (~ex + 2~ey ~ez )T: Cu ce forţ¼
a va acţiona
câmpul asupra acestei sarcini?
3. Un proton dintr-un fascicul de raze cosmice în spaţiul interstelar are energia de 10 MeV şi o orbit¼
a circular¼
a egal¼
a cu cea a planetei Mercur (6 1010
m) în jurul Soarelui. Calculaţi valoarea câmpului magnetic în acea regiune
a spaţiului.
4. Un ion pozitiv cu sarcina q = 2e se deplaseaz¼
a cu viteza de 4; 6 106
m/s şi las¼
a o urm¼
a în form¼
a de cerc cu raza de 7,94 mm într-un câmp
perpendicular de 1,8T al unei camere cu ceaţ¼
a. Calculaţi masa acestui ion
în unit¼
aţi atomice de mas¼
a şi identi…caţi ionul.
10
Download