CAMP MAGNÈTIC

28
FISICA II ESCOLA VEDRUNA PALAMÓS CAMP MAGNÈTIC

description

PPT Camp Magnètic per alumnes de Batxillerat

Transcript of CAMP MAGNÈTIC

Page 1: CAMP MAGNÈTIC

FISICA II

ESCOLA VEDRUNA PALAMÓS

CAMP MAGNÈTIC

Page 2: CAMP MAGNÈTIC

1. CAMP MAGNÈTIC

Imant és un cos capaç d’atreure objectes de ferro

PROPIETATS GENERALS DELS IMANTS El pol nord s’orienta cap al Nord geogràfic de la Terra i el

pol sud cap al Sud.

Pols iguals es repel·leixen i diferents s’atreuen.

Un imant té 2 pols, si el trenquem obtenim dos nousimants amb els seus respectius pols.

•Si poguéssim anar dividint arribaríem

al propi àtom el qual és un dels imants

més petits que hi ha.

•Depenent de la seva estructura

electrònica podran o no presentar

aquest caràcter.

Page 3: CAMP MAGNÈTIC

Les línies de camp Si escampem llimadures de ferro sobre un paper

blanc, sota el qual hi ha un imant en posicióhoritzontal obtenim les línees de camp.

Les línies de camp permeten interpretar el campmagnètic.

Són les línies que seguiria un pol nord situat alcamp.

La intensitat de camp magnètica es representaamb el símbol .

Les línies de camp es dirigeixen del pol N alpol S fora de l’imant i del pol S al pol N dins del’imant.

Per determinar el mòdul ens basem amb ladensitat de línies de camp i per la direcció isentit, tangent a la línia de camp del puntconsiderat.

Unitats: SI Tesla (T)Gauss (G)

1T = 104 G

B

Page 4: CAMP MAGNÈTIC

Unitats del camp magnètic o

inducció magnètica

Unitats: SI Tesla (T)

Gauss (G)

1T = 104 G

Un tesla és el valor de la inducció magnética d’un camp

que exerceix una força de 1 N sobre una càrrega de 1C

que es mou a una velocitat de 1 m/s perpendicular al

camp.

Page 5: CAMP MAGNÈTIC

Experiència d’Oersted L’any 1819 Hans Christian Orsted relaciona el camp

magnètic amb el camp elèctric.

Una agulla imantada al costat d’un corrent elèctric tendeixa orientar-se perpendicularment al corrent.

Conclusió:

Les càrregues elèctriques en moviment,

creen camps magnètics.

Regla de la mà dreta

Recordeu:

El sentit convencional del corrent és el

contrari al sentit del moviment dels

electrons.

Page 6: CAMP MAGNÈTIC

Experiència d’Orsted• Els camps elèctrics produeixen el

mateixos efectes que els imants.

• Els corrents elèctrics es podenatreure o bé repel·lir-se.

• El moviment dels electrons alvoltant del nucli i el gir del electronssobre si mateixos produeixen elsefectes magnètics.

• Per determinar el sentit del camp magnètic ho podem fer amb la regla de la mà dreta

Page 7: CAMP MAGNÈTIC

Tipus de materials segons el grau

d’imantació Un material té molts imants col·locats de manera aleatòria.

Si aquests dipols s’orienten tots en el mateix sentit per algunaqüestió molecular obtenim imants naturals.

Tipus de materials segons el grau d’imantació: Paramagnètics. Els dipols presents només s’alineen en presència d’un camp extern. S’alineen en la direcció del camp de manera feble. Exemples: Al, Mg,Ti;W

Diamagnètics. Els dipols presents només s'alineen en presència d’un camp extern. S’alineen en la direcció contrària del camp i de manera feble. Exemples: Bi, Cu, diamant i Au

Ferromagnètics Els camp arrenglera els dipols que podran ser més grans que l’extern i els

imanta permanentment. Fe, Co, Ni, etc..

Page 8: CAMP MAGNÈTIC

2. FORÇA MAGNÈTICA D’UNA CÀRREGA

EN MOVIMENT. LLEI DE LORENTZ

• El camp magnètic és la pertorbació que produeix un imant o corrent elèctric en l’espai que l’envolta.

• Aquest camp es manifesta en partícules en moviment o bé en imants.

• Tota càrrega en moviment crea un camp magnètic que pot interactuar amb un camp magnètic extern.

• Es pot determinar la força magnètica que rep amb la Llei de Lorentz:

• Si calculem el mòdul obtenim

)( BvQF

sinQvBF

Page 9: CAMP MAGNÈTIC

Consideracions a la Llei de Lorentz Si la càrrega està en repòs, no hi actua cap força.

Si es mou experimenta una força: Proporcional a Q Perpendicular al pla determinat per la velocitat i el camp

magnètic. El sentit es determina amb la regla de la mà dreta per a una

càrrega positiva. Si és negativa la força té sentit contrari. El mòdul depèn de l’angle ( ) entre la velocitat i el camp

magnètic. Si és 0 o 180 la força és nul·la ja que el sinus és zero

Si és 90 la força serà màxima ja que el sinus és 1

Page 10: CAMP MAGNÈTIC

Notació gràfica

Per tal de facilitar la representació de vectors perpendicular

utilitzarem a següent convenció de signes:

ExempleEstudieu la direcció i el sentit de la força que rep una càrregaelèctrica quan entra dins d’un camp magnètic, aplicant laregla de la mà esquerra

Page 11: CAMP MAGNÈTIC

Moviment d’una càrrega en presència

d’un camp magnètic

Una càrrega quan entra en un camp

magnètic uniforme a una velocitat no

paral·lela al camp magnètic rep una força

que en fa variar la direcció.

La força magnètica que rep la càrrega la fa

girar en una trajectòria circular

(MRU).

La força magnètica va dirigida cap a

centre. Segons la segona llei de Newton:

Page 12: CAMP MAGNÈTIC

Donat que fa un moviment circular uniforme podem calcular-ne lavelocitat angular i la freqüència:

NOTA: La freqüència no depèn de la velocitat de la partícula

La força és perpendicular al desplaçament la qual cosa implica queno hi ha treball realitzat.

Així doncs, l’energia cinètica no queda afectada per lapresència d’un camp magnètic extern. Només varien ladirecció de la velocitat.

Moviment d’una càrrega en presència

d’un camp magnètic

Page 13: CAMP MAGNÈTIC

vv

x

y

xy

zq+

F

R

B

q+

B

F

v

+

Fv+

Si y formen un angle qualsevol.v

B

qB

senvmR

B

R

z

x

y

v

+

+q

La partícula seguirà una

trajectòria helicoidal

F = q v B sen

Page 14: CAMP MAGNÈTIC

3. FORÇA ELECTROMAGNÈTICA SOBRE

UNA CÀRREGA

amFFF me ·

Una càrrega Q sotmesa a un camp magnètic i und’elèctric rep l’acció de dues forces.

Només el camp elèctric influeix sobre l’energia cinèticaja que el camp magnètica influeix en la direcció.

Aquesta força és utilitzada amb aparells com: Selector de velocitats.

Espectròmetre de masses.

Ciclotró.

Page 15: CAMP MAGNÈTIC

Selector de velocitats Observem que per que

els ions surtin amb

velocitats paral·leles al

condensador:

0 me FFF

• Si volem que no es desviï Fe= Fm

per tant EQ=QvB

i simplificant obtenim que v=E/B

Si la relació entre E i ΔV és E= ΔV /d

Obtenim v= ΔV /(B·d)

Page 16: CAMP MAGNÈTIC

Espectròmetre de masses Serveix per separar diferents isòtops

d’un determinat element químic.

Procés

S’ionitzen els diferents isòtops. Tenen

igual càrrega però diferents masses

S’acceleren mitjançant un selector de

velocitats

Els ions penetren perpendicularment

en un camp magnètic uniforme on

descriuen òrbites circulars. El radi

serà característic de cada massa.

Page 17: CAMP MAGNÈTIC

Ciclotró

Page 18: CAMP MAGNÈTIC

Ciclotró S’utilitza per accelerar partícules carregades per donar-los

energia cinètica i fer-ne experiències en física nuclear.

Procés

Entre les dues D hi ha una font de partícules a una velocitatinicial. En aquest espai hi ha un camp elèctric intens.

A l’entrar a la primera D rep una força magnètica que li fadescriure una trajectòria semicircular.

S’inverteix la polaritat del camp elèctric i augmenta la velocitat.

A l’entrar a l’altra D descriu una trajectòria amb un radi mésgran ja que v ha augmentat.

Al final del ciclotró obtenim una velocitat de sortida que depèndel radi màxim del ciclotró.

Page 19: CAMP MAGNÈTIC

F

I

Sigui un conductor rectilini de longitud

L = v t i secció S, pel que circula

una intensitat de corriente I

Essent q la carrega total que atravesa

S en un temps t, la intensidad de

corriente es:

t

qI

La força de Lorentz sobre la càrrega

és:

F = q v B sen = (I t) v B sen = I (v t) B sen F = I L B sen

La força magnètica sobre un conductor rectilini de longitud L pel que circula un corrient I

situat en un camp magnètic es:B

)( BLF xI

v

q+

+

+

+

+

+

B

L

S

Segment de conductor rectilíni de

longitud L y sección S

4.FORÇA MAGNÈTICA SOBRE D’UN

CONDUCTOR

Page 20: CAMP MAGNÈTIC

4.FORÇA MAGNÈTICA SOBRE D’UN

CONDUCTOR

El corrent elèctric és degut al moviment de les càrregueselèctriques que es mouen a una velocitat determinada

Un camp magnètic extern actua sobre el conductor ja queinteractua amb el creat pel moviment de les càrregues.

Orsted observar aquest fet el 1819.

El corrent elèctric es pot considerar un moviment decàrregues positives que es mouen en el sentit del corrent.

Podem calcular aquesta força magnètica mitjançant la Llei deLaplace. Considerant que I=dQ/dt i que dl=v·dt trobemque

Page 21: CAMP MAGNÈTIC

Consideracions a la Llei de Laplace El mòdul de la força magnètica és calcula com:

El sentit segons la regla de la mà esquerra

Si no hi ha intensitat no hi actua cap força. Si n’hi ha experimenta una força: Proporcional a la intensitat I Perpendicular al pla determinat pel conductor i el camp

magnètic. El sentit es determina amb la regla de la mà esquerra. El mòdul depèn de l’angle ( ) entre la intensitat i el camp

magnètic. Si és 0 o 180 la força és nul·la ja que el sinus és zero

Si és 90 la força serà màxima ja que el sinus és 1

Page 22: CAMP MAGNÈTIC

Força sobre una espira rectangular Considerem una espira

rectangular per on passa uncorrent I i que gira al voltant uneixY

Suposem un camp magnèticuniforme en la direcció Xpositiva.

Cada un dels segmentsexperimenten una força quepodem determinar amb la reglade la ma esquerra.

Les forces als trams AB i CDsón nul·les ja que són paral·lelesal camp magnètic.

Les forces als trams DA i BCsón paral·leles i oposadescreant un parell de forces quefan girar l’espira al seu voltant.

El moviment s’acaba quanl’espira queda perpendicular alpla. En aquest punt les forceses contraresten i no es mou.

Page 23: CAMP MAGNÈTIC

Fonaments del motor Són màquines capaces de transformar l’energia elèctrica en

mecànica.

Parts més importants:

L’estator. És l’imant (generalment electroimant)

El rotor. Són les espires.

El col·lector. Format per dos semianells anomenats delgues soldats al’extrem de les espires.

Les escombretes. Estan connectadesper un fil al conductor i freguen elcol·lector. Quan l’espira quedaperpendicular al camp aquestes fancontacte amb l’altra delga i s’inverteix lcorrent.Aquest canvi de sentit del correntinverteix les forces i s’adquireix unmoviment de rotació.

Page 24: CAMP MAGNÈTIC

5. CAMP MAGNÈTIC CREAT PER

DISTRIBUCIONS DE CORRENTS

Camp creat per una càrrega puntual

Quan una càrrega elèctrica està en repòs genera un camp elèctric

(electroestàtic) però si es mou genera un camp elèctric i un camp

magnètic.

El camp generat és pot calcular mitjançant la llei d’Ampere i

Laplace en el buit

S’observa que el camp magnètic depèn de:

•El medi mitjançant els valors de la constant magnètica.

•A igual que el camp gravitatori i l’elèctric el camp magnètic

disminueix amb el quadrat de la distància.

2

.

r

vqKB m

4mK

)(.

.4

.2 rT uxu

r

vqB

Page 25: CAMP MAGNÈTIC

Camp magnètic creat per un conductor rectiliniinfinit

El camp magnètic creat per un conductor en un punt P depèn de la distància del punt al conductor i la intensitat del corrent.

El sentit el defineix la regla de la mà dreta.

A partir dels càlculs de Bio i Savart i la llei d’Ampere

On: I és la intensitat del corrent,

r la distància fins al punt

la permeabilitat magnètica

En el buit o l’aire

r

IB

·2

·

AmT /.10·4 7

0

Page 26: CAMP MAGNÈTIC

Camp magnètic creat per una espira

El camp magnètic creat per una espira circular de radi R,

segons la llei d’Ampère es calcula com:

La regla de la mà dreta ens indica el sentit del camp magnètic

El polze mostra el sentit Nord del camp magnètic.

R

IB

2

·0

Page 27: CAMP MAGNÈTIC

Camp magnètic creat per un solenoide o

bobina

Un conjunt d’N espires consecutives

constitueixen un solenoide o bobina

El camp magnètic a l’interior es calcula

com: On n és la densitat d’espires per unitat de

longitud

n=N/l

Si dins de la bobina hi posem un material

ferromagnètic, la permeabilitat és la del

ferro (µ) i més alta, per tant augmenta el

camp magnètic. Així es constitueix un

electroimant.

nIB0

Page 28: CAMP MAGNÈTIC

6. FORCES ENTRE DOS CONDUCTORS

PARAL·LELS INFINITS

Considerem dos conductors paral·lels infints per on passen

intensitats I1i I2 .

El camp magnètic creat per el fil 1 és:

La força que rebrà el fil 2 serà:

Si ho fem pels dos fils observem que:

Dos fils amb corrents paral·lels s’atrauen

Dos fils amb corrents contraris es repel·leixen