Forza di Lorentz

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Introduzione alla fisica sperimentale: elettromagnetismo, ottica, fisica moderna

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Politecnico di Milano

Introduzione alla fisica sperimentale: elettromagnetismo, ottica, fisica moderna

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Il corso affronta le tematiche dell'elettromagnetismo e dell'ottica, fornendo le nozioni che risultano utili per affrontare insegnamenti di fisica di base, a partire dalla comprensione del metodo sperimentale per poi mostrare le grandezze fondamentali e loro relazioni in tali ambiti, imparando a identificarle, distinguerle e utilizzarle. Gli argomenti affrontati relativamente all'elettromagnetismo sono, divisi per settimane: · campo elettrico, conduttori, condensatori e materiali dielettrici · corrente elettrica, campo magnetico e materiali magnetici mentre per l'ottica si ha · onde elettromagnetiche, ottica geometrica e ottica ondulatoria con un'ultima settimana di accenno alla fisica moderna. All’interno di ogni settimana si trovano video relativi a lezioni, esercizi ed approfondimenti su alcuni argomenti, nonché quiz a risposta chiusa allo scopo di fornire allo studente l’opportunità di un primo feedback di auto-valutazione. Ognuna delle tematiche si chiude poi con un quiz riepilogativo per verificare l’acquisizione delle nozioni presentate.

从本节课中

Corrente elettrica e campo magnetico

La corrente elettrica è costituita da un flusso ordinato di cariche elettriche, ed i suoi effetti sono noti e presenti in diversi ambiti: dall'effetto termico (in cui il passaggio di corrente in un conduttore ne produce il riscaldamento per effetto Joule) all'effetto biologico (l’applicazione di una corrente elettrica causa la contrazione delle fibre muscolari) passando per l'effetto magnetico (un circuito percorso da corrente elettrica crea un campo magnetico, che è in grado di sviluppare una forza magnetica su cariche in moto). Come per il campo elettrico, anche per il campo magnetico vengono poi analizzate alcune configurazioni di sorgenti (in questo caso le correnti elettriche, per il campo elettrico erano le cariche) che determinano il campo ed altre che il campo lo subiscono.

Campo magnetico e teorema di Gauss - Parte 14:05

Campo magnetico e teorema di Gauss - Parte 24:39

Forza di Lorentz5:13

Moto di una carica6:24

Legge di Biot-Savart7:15

Teorema di Ampère5:52

Forza di Laplace (exe)6:06

Spira percorsa da corrente (exe)8:33

Campo magnetico di una spira (exe)6:59

Selettore di velocità (exe)7:16

Effetto Hall (exe)7:45

Teorema di Ampère (exe)7:14

与讲师见面

Maurizio Zani
Assistant Professor
Physics Department

Così come il campo elettrico interagisce con le cariche, così il campo magnetico interagisce con le cariche elettriche in modo.

Ad esempio se considero un campo magnetico B nello spazio, immaginiamo uniforme per comodità,

e considero una carica q in moto all’interno di questo campo magnetico, con una certa velocità v,

vedremo che questa carica nel suo moto risentirà di una forza dovuto alla presenza del campo magnetico. Questa forza prende il nome di forza di Lorentz.

Questa forza avrà un modulo che sarà proporzionale al valore della carica, al valore della velocità quindi al modulo della velocità, al modulo del campo magnetico,

al seno dell’angolo tra la velocità e il campo magnetico stesso, quindi se chiamiamo questo angolo θ qui avremo senθ,

la direzione di questa forza è ortogonale al piano che contiene il campo magnetico e la velocità e il suo verso è dettato dalla regola della mano destra.

Quindi in questo caso essendo la velocità diretta in questo modo e il campo magnetico diretto in quest’altro modo, la forza di Lorentz sarà entrante nel foglio.

Quindi vedete che la forza di Lorentz è sempre ortogonale al piano che contiene la velocità e il campo magnetico stesso.

Quindi è una forza che è sempre ortogonale alla direzione del moto, quindi una forza che non sta compiendo lavoro sul moto della nostra carica.

Visto che il modulo della forza dipende dal seno dell’angolo è chiaro che quando la velocità è parallela al campo magnetico,

quindi quando la carica si sta muovendo lungo le linee di forza del campo, il valore della forza di Lorentz è pari a zero. Perché il seno di zero è zero.

Mentre invece, quando la carica si sta muovendo su una direzione ortogonale alla linea di forza, il seno di π/2 diventa massimo e quindi la forza di Lorentz è massima.

Riportiamo quindi il modulo della forza di Lorentz all’interno del nostro formulario di elettromagnetismo:

la forza che una carica sente - perché è in moto con velocità v all’interno di un campo magnetico - è pari a q v B

per il seno di θ, dove θ è l’angolo formato tra la velocità e il campo magnetico stesso.

Verifichiamo adesso il fatto che una carica in moto in un campo magnetico risenta di una forza e quindi viene deviata la sua traiettoria con un semplice esperimento.

Che vi raccomando di non fare a casa perché è possibile danneggiare gli oggetti che adesso andremo ad usare.

Prendiamo un monitor a tubo catodico, quindi vuol dire che l’immagine viene formata proiettando con un pennello di elettroni opportunamente deviato all’interno del tubo stesso,

l’immagine viene formata sui fosfori contenuti all’interno del monitor e quindi appare visibile al nostro occhio.

Quindi l’immagine è in qualche modo costruita punto per punto con un fascio di elettroni che viene deviato opportunamente all’interno del tubo catodico nei vari punti all’interno del monitor.

Quindi se io avvicino un campo magnetico, ad esempio utilizzando un magnete permanente, io posso far variare la traiettoria di questi elettroni,

perché gli elettroni sono a tutti gli effetti delle cariche in modo all’interno del tubo catodico,

quindi risentono di una forza di Lorentz, dovuta ad un campo magnetico e quindi vengono deviati.

Deviando gli elettroni avremo una modificazione dell’immagine, perché in qualche modo l’immagine viene deformata,

e vedrete che nasceranno anche degli aloni di colore, questo è dovuto al fatto che questo, essendo un monitor a colori, presenta dei fosfori di tipo diverso

e quindi in base se l’elettrone cade in un punto piuttosto che in un altro, appare un colore piuttosto che un altro.

Col magnete io vado a modificare la traiettoria di tutti questi elettroni e quindi in qualche modo perdo anche l’informazione sui colori.

Come vedete avvicinando un magnete all’immagine che mostra tutti i maggiori fisici del ‘900 riuniti in un congresso Solvay,

vedete che muovendo il magnete all’interno dell’immagine, io deformo l’immagine perché sto facendo compiere agli elettroni un percorso diverso

e quindi vanno ad incidere su un punto diverso del monitor. Nasce questo alone tutto colorato per il discorso che vi dicevo prima:

io devio gli elettroni in posizioni diverse del monitor e quindi dove vengono espressi colori diversi.

Però vedete che è una dimostrazione diretta del fatto che un campo magnetico deforma il percorso di una carica in moto al suo interno, appunto a causa della forza di Lorentz.

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