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CAPITOLO 1 Campi elettromagnetici nel vuoto e nella materia

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Academic year: 2021

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(1)

CAPITOLO 1

Campi elettromagnetici nel vuoto e nella materia

(2)

Equazioni di Maxwell Riepilogo

E ! ! ⋅ s d = 0

0 int

ε d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

= 0 Σ

∫ ⋅

Σ

!

! d B

i s

d

B µ 0

! ! =

Condizioni stazionarie

0 int

ε d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

= 0 Σ

∫ ⋅

Σ

!

! d B

Condizioni non stazionarie

Σ

=

⋅ ∫

∫ Σ

!

! !

! B d

s t d

E δ

δ

) ( 0

0 dt

i d s

d

B Φ E

+

=

!! µ ε

(3)

Flusso del campo di una carica puntiforme

r o

r u

E q ˆ

4 1 πε 2

! =

Σ

= Σ

=

Φ E d Ed

d E ! !

2 2

0 2

0

1 4 4

1

4 r

r d q

r Ed q

E π

πε

πε Σ =

= Σ

=

Φ ∫ ∫

I dielettrici La legge di Gauss

ε 0

q

E = Φ

Il flusso totale non dipende dalla superficie

Se la carica è esterna, il flusso totale è nullo

Σ ! d

Σ

Σ

1

Σ

(4)

Definizione di angolo solido sotto cui è vista una superficie d Σ:

2 2

cos

r d r

d d Σ

Σ =

=

Ω θ

Ω Σ =

= Φ

Σ

= Σ

= Φ

r qd d qd

d n r u

d q E d

E

r E

0 2

0

2 0

4 1 cos

4 1

ˆ 4 ˆ

1

πε ϑ

πε

πε

!

!

Ω

= Φ

=

Φ ( E )d E 4 πε qd

I dielettrici La legge di Gauss

d Σ

cos θ d Σ

E !

r

q

(5)

Se la carica è interna ad Σ

0 0

0

4 4 ) 4

( π ε

πε πε

q d q

E = q Ω = =

Φ ∫

Σ

Ω

= Σ

=

Φ q d

d E d

0 1

1

1 4πε

!

!

Ω

= Σ

=

Φ q d

d E

d

2

!

2

!

2

0 )

( = ⋅ Σ =

Φ EE ! d !

steradianti Se la carica è esterna ad Σ, ogni cono elementare intercetta due superfici d Σ 1 , d Σ 2

I dielettrici Legge di Gauss

Σ ! 1

d Σ ! 2

d

Σ

1

Σ

2

Σ

3

Σ

(6)

Teorema di GAUSS: Il flusso del campo E attraverso una superficie qualsiasi chiusa è uguale alla somma algebrica delle cariche contenute entro la superficie, comunque siano distribuite, divisa per ε 0

ε 0

d q

E ⋅ Σ =

! ! q è interna alla superficie chiusa

considerata

Se il campo è prodotto da più cariche puntiformi, per il principio di sovrapposizione :

Σ = Σ = Φ

= Φ

i

i i

i i

i

E E d E d d

d ( ! ) ! ( ! ! )

I dielettrici Legge di Gauss

∑∫ ∑

∫∑ Φ = Φ = Φ =

= Φ

i i i

i i S

i S i

i

E d d q

0

1 ε

Σ

(7)

I dielettrici Il potenziale elettrostatico

r πε Q q

V W 1

4 Potenziale

0

=

=

> V 0 < V 0

Lavoro per unità di carica di prova

→ = ⋅

=

A

r r E d s

q

V W ! !

0

se solo valida

e Espression

= U

=

=

B

A A

B V E d s

V

ΔV ! !

generale

In = =

B

A A

B

U F d s

U

ΔU ! !

(8)

I dielettrici Il potenziale elettrostatico

= 0

= ∫

F d s

W A A ! !

Il lavoro effettuato da una forza conservativa su un percorso chiuso è nullo

= 0

=

Δ V A AE ! d s ! Il campo elettrostatico è conservativo

Circuitazione

(9)

Materiali magnetici La legge di Gauss per il campo magnetico

Σ

=

Φ ! !

d B

d B

Σ

Σ

=

Φ ! !

d

B B

Σ =

= ! ! 0 d

φ B

(10)

Materiali magnetici La legge di Ampere

π θ µ π

µ i d

r ds s i

d

B 2 2

0

0 =

=

⋅ !

!

π θ θ µ

π µ

2 2

0

0 i

i d s

d B

D

C D

C

=

=

⋅ ∫

! !

Filo rettilineo indefinito

Il risultato dipende solo dall’angolo

(11)

Materiali magnetici La legge di Ampere

Per una linea chiusa che contiene la corrente

i i d

s d

B 0 0

2 θ µ

π

µ =

=

=

Γ ∫ ! !

Per una linea chiusa che non contiene la corrente

= 0

=

Γ ∫ B ! d s !

(12)

Materiali magnetici La legge di Ampere

Per una linea chiusa che contiene più correnti

) ( 1 2

0 i i

s d

B ⋅ = −

=

Γ ∫ ! ! µ

e concatenat

i s

d

B µ 0

=

=

Γ ! !

(13)

Materiali magnetici La legge di Ampere

s B ! d s ! = µ 0 i = µ 0 Σ J ! d Σ !

Σ è una qualunque superficie che si appoggia sulla linea s

Utilizzando il vettore “densità di corrente”

(14)

Materiali magnetici La legge di Ampere

i s

d

B = B ⋅ = µ 0

Γ ∫ ! !

I l c a m p o m a g n e t i c o n o n è conservativo

= 0

=

Γ EE ! d s !

Il campo elettrostatico è conservativo

Linee aperte Linee chiuse

(15)

Equazioni di Maxwell Riepilogo

E ! ! ⋅ s d = 0

0 int

ε d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

= 0 Σ

∫ ⋅

Σ

!

! d B

i s

d

B µ

! ! =

Condizioni stazionarie

0 int

ε d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

= 0 Σ

∫ ⋅

Σ

!

! d B

Condizioni non stazionarie

Σ

=

⋅ ∫

∫ Σ

!

! !

! B d

dt s d

d E

) ( 0

0

i d s

d

B Φ E

+

=

!! µ ε

(16)

Campi variabili nel tempo Legge di Faraday Lentz

dt B d

i

) Φ (

= ε

Forza elettromotrice indotta

∫ Σ

Σ

=

Φ ! !

d B B)

(

i i d s

E ε

! ! =

Campo elettrico indotto non conservativo

dt B d

R

i R i 1 Φ ( )

=

= ε

Σ

− Φ =

=

⋅ ∫

E ! i d s ! d dt ( B ) dt d B ! d !

(17)

Campi variabili nel tempo Legge di Faraday Lentz

dt B d

i

) Φ (

= ε

La legge di Lentz

L’effetto della f.e.m. indotta è sempre tale da opporsi alla variazione di flusso che l’ha generata.

) 0 ( >

Φ dt

B d

< 0 ε i

) 0 ( <

Φ dt

B d

> 0 ε i

[ ]

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡

= sec

Weber

Volt

(18)

Campi variabili nel tempo Legge di Ampere Maxwell Ricordiamo la Legge di Ampere

= 0 Σ

J !d !

s B ! d s ! = µ 0 i = µ 0 Σ J ! d Σ !

Σ è una qualunque superficie che si appoggia sulla linea s

Su una superficie chiusa

(19)

Campi variabili nel tempo Legge di Ampere Maxwell

Consideriamo il seguente circuito in condizioni non stazionarie

i d

J ⋅ Σ =

Σ 1

0

!

µ ! 0

0 ∫ Σ J 2 !d Σ ! = µ

≠ 0 Σ

J !d !

Quindi sulla superficie chiusa

(20)

Campi variabili nel tempo Legge di Ampere Maxwell

dt d dq

J ⋅ Σ = −

∫ Σ

!

!

ε 0

d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

Su una superficie chiusa

∫ Σ Σ

Σ

= Σ

= ! ! ! !

d J

dt d E d dt

dq

ε 0

0 ⎟⎟ ⋅ Σ = 0

⎜⎜ ⎝

⎛ +

∫ Σ

! !

! d

dt E J ε d

Equazione di continuità Legge di Gauss

⎟⎟

⎜⎜

⎛ +

= dt

E J d

J Tot

! !

!

ε 0

(21)

dt E J s d

! !

ε 0

= Campi variabili nel tempo Legge di Ampere Maxwell

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎝

⎛ +

= dt

E J d

J Tot

! !

!

ε 0

Densità di corrente di spostamento

dt d d

dt d dE

J

i s s Φ E

= Σ

= Σ

= ∫ ∫

Σ Σ

0

0 ε

ε !

!

!

Densità di corrente stazionaria

) (

)

( 0 0

0 dt

i d i

i s

d

B s E

s

+ Φ

= +

=

!! µ µ ε

Nuova formulazione della legge di Ampere Corrente di spostamento

⎛ ! ! !

!

! !

! d E d

J d

J s

d

B

(22)

Operatore nabla Introduzione

L’operatore (nabla), utile nell’analisi dei campi scalari e vettoriali, è definito

come: ∇

z y

x u

u z u y

x ˆ ˆ ˆ

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

∇ !

Analizziamo di seguito le operazioni che si possono

eseguire mediante l’uso dell’operatore . ∇

(23)

grad f ci dice come varia la funzione f nell’intorno di un punto. La sua componente lungo x è la derivata parziale di f rispetto ad x e fornisce una misura della rapidità con cui varia f quando ci si muove lungo l’asse x.

Funzione scalare della posizione f (x, y, z) con le derivate parziali

Possiamo costruire in ogni punto dello spazio un vettore le cui componenti x, y, z siano uguali alle rispettive derivate parziali. Questo vettore viene chiamato

“gradiente” di f

Operatore nabla Gradiente

z y

x u

z u f

y u f

x

f f ˆ ˆ ˆ

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

∇ !

z y

x u

z u f

y u f

x f f

grad ˆ ˆ ˆ

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

z f y

f x

f

, ,

(24)

Operatore nabla Gradiente

Per esempio per una funzione di due sole variabili, x e y, vi sarà una direzione

lungo la quale un breve passo ci porterà più in alto che un passo della stessa

lunghezza in qualsiasi altra direzione. Il modulo della funzione gradiente è la

pendenza misurata lungo quella direzione .

(25)

Operatore nabla Gradiente Infatti

z dz dy f

y dx f

x df f

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂ df ! f d s !

= ( )

∇ ! f s d!

s d f

df ! !

= ( ) df = ∇ ! f cos α ds

La variazione della funzione è massima nella direzione di ∇ ! f

s d!

∇ ! f

f + df

f

(26)

Operatore nabla Gradiente In coordinate polari

( θ ) θ rd r

dr f r

df f

∂ + ∂

= ∂

s d f

df ! !

= ( )

θ u θ

rd u

dr s

d ! = ( ) ˆ r + ( ) ˆ

θ u θ

u r

r r 1 ˆ

ˆ ∂

+ ∂

= ∂

∇ !

θ f u θ

u r r

f f r 1 ˆ

ˆ ∂

+ ∂

= ∂

∇ !

Se definiamo

E quindi

Gradiente in coordinate polari

(27)

Operatore nabla Divergenza L’operatore “nabla” può anche applicato ad una funzione vettoriale

z F y

F x

F F x y z

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

∇ ! !

z z y

y x

x u F u F u

F

F ! = ˆ + ˆ + ˆ

z F y

F x

F F

div x y z

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

!

Il risultato è uno scalare e si chiama” divergenza”

Teorema della divergenza

F !

Σ F ! d Σ ! = τ ( ! F ! ) d τ

F l u s s o d e l v e t t o r e F

attraverso una superficie Integrale della divergenza

di F sul volume racchiuso

(28)

Operatore nabla Divergenza

Σ F ! d Σ ! = τ ( ! F ! ) d τ

Σ

=

= Σ

!

!

!

!

! !

!

!

d d F

F

d F d

F

τ

τ ) 1

(

) (

Per un volume infinitesimo

Σ

=

∇ ! ! ! !

d F

F τ τ

lim 1 )

( 0

La divergenza di un vettore F può essere interpretata come il flusso dello stesso vettore per unità di volume attraverso una superficie chiusa molto piccola. Rappresenta quindi una proprietà locale del vettore

0 )

( ∇ F ! ⋅ ! = 0

) ( ∇ F ! ⋅ ! ≠

Campo solenoidale

F !

(29)

Operatore nabla Coordinate speriche

θ f u θ

u r r

f f r 1 ˆ

ˆ ∂

+ ∂

= ∂

∇ ! Gradiente

) 1 (

) 1 ( 2

2 f senθ

f rsen r r

f r r θ

θ θ ∂ + ∂

= ∂

∇ ! ! Divergenza

(30)

Operatore nabla Rotore

Definiamo

! F !

z z y

y x

x u F u F u

F

F ! = ˆ + ˆ + ˆ

x z y

z y x x

z y u

y F x

u F x

F z

u F z

F y

F F

rot ˆ ˆ ⎟⎟ ˆ

⎜⎜ ⎝

− ∂

∂ + ∂

⎟ ⎠

⎜ ⎞

− ∂

∂ + ∂

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎝

− ∂

= ∂

!

Il risultato è un vettore e si chiama ”rotore”

z y

x

z y

x

F F

F

z y

x

u u

u

ˆ ˆ

ˆ

(31)

Operatore nabla Rotore Teorema di Stokes

s F ! d s ! = Σ ( ! F ! ) d Σ !

Circuitazione di F Flusso del (rot F)

Per una superficie infinitesima

s d d F

F

d F

s d F

! !

!

!

!

! !

! !

Σ ⋅

=

Σ

=

) 1 (

) (

s d F

F ! ! !

! ⋅

= Σ

Σ 1

lim )

( 0

Il rotore di un vettore F può essere interpretato come la circuitazione dello stesso vettore per unità di superficie su una linea chiusa molto piccola. Rappresenta quindi una proprietà locale del vettore

F ! )

( ! F !

(32)

Operatore nabla Rotore

Campo rotazionale

0 )

( ∇ ! ∧ F ! ≠

Campo irrotazionale

0 )

( ∇ ! ∧ F ! =

Circuitazione

Circuitazione

≠ 0

= 0

(33)

Formalismo differenziale per E e B Campo Elettrostatico Consideriamo il valore di V in due punti vicini, (x, y , z) e (x+dx, y+dy, z+dz): la variazione di V, passando dal primo al secondo, è:

=

=

B

A A

B V E d s

V

ΔV ! !

generale

In dV E ! d s !

− =

quindi e

z E V

y E V

x

E x V y z

− ∂

∂ =

− ∂

∂ =

− ∂

= , ,

V grad E

V E

=

! =

!

!

z dz dy V

y dx V

x dV V

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

(34)

Equazioni di Maxwell Campo Elettrostatico Inoltre

= 0

E !d s ! Il campo elettrostatico è conservativo

Teorema di Stokes

s E ! d s ! = Σ ( ! E ! ) d Σ !

Allora deve essere

0 0 )

(

=

=

E rot

! E

!

!

Formalismo differenziale per E e B

(35)

Equazioni di Maxwell Campo Elettrostatico

Σ = =

= Φ

Σ τ

τ ε ρ

ε q d

d E E

0 0

) 1

( ! !

Legge di Gauss

Teorema della divergenza Φ ( E ) =Σ E ! d Σ ! =τ ( ! E ! ) d τ

Dunque

τ =

τ

τ ε ρ

τ d

d E

0

) 1 ( ! !

0 0

) (

ε ρ

ε ρ

=

=

E div

E

!

!

!

E !

Il flusso dipende localmente dalla densità di

Formalismo differenziale per E e B

(36)

Equazioni di Maxwell

Si calcoli la divergenza nel punto generico (x, y, z) per il campo prodotto da una carica puntiforme q posizionata nel punto (x 1 ,y 1 ,z 1 )

( )

( ) ( ) ( )

[

1 2 1 2 1 2

]

32

1

4

0

, ,

z z y

y x

x

x q x

z y x E

x

− +

− +

= − πε

( )

( ) ( ) ( )

[

1 2 1 2 1 2

]

32

1

4

0

, ,

z z y

y x

x

y q y

z y x E

y

− +

− +

= − πε

( )

( ) ( ) ( )

[

1 2 1 2 1 2

]

32

1

4

0

, ,

z z y

y x

x

z q z

z y x E

z

− +

− +

= − πε

( )

5

(

2 2

)

0 2

2 2

5 0

4 3

4 2 r x

r x q

z r y

q x

E

x

=

− +

∂ =

πε πε

( )

5

(

2 2

)

0 2

2 2

5 0

4 3

4 2 r y

r y q

z r x

q y

E

y

=

− +

∂ =

πε πε

( )

5

(

2 2

)

0 2

2 2

5 0

4 3

4 2 r z

r z q

y r x

q z

E

z

=

− +

∂ =

πε

πε ( ∇ E ! ⋅ ! ) = 0

z E y

E x

E E x y z

∂ + ∂

∂ + ∂

= ∂

∇ ! !

Formalismo differenziale per E e B Campo Elettrostatico

(37)

Equazioni di Maxwell Campo Elettrostatico

0

)

( ε

= ρ

∇ E ! !

E ! E !

0 )

( ∇ E ! ⋅ ! =

Inoltre ricordando

V E ! = − ∇ !

V V

E = − ( ∇ ⋅ ( ∇ )) = ∇ 2

∇ ! ! ! !

0 2

ε

− ρ

=

∇ V ∇ V 2 = 0

Formalismo differenziale per E e B

(38)

Equazioni di Maxwell Campo Elettrostatico

2 2 2

2 2

2 2 2 Operatore laplaciano

z y

x

+ ∂

∂ + ∂

= ∂

0 2

2 2

2 2

2 2

ε

− ρ

∂ = + ∂

∂ + ∂

= ∂

z

V y

V x

V V Equazione di Poisson in

presenza di sorgenti

2 0

2 2

2 2

2 2

∂ = + ∂

∂ + ∂

= ∂

z

V y

V x

V V Equazione di Laplace nel

vuoto

Risolvendo l’equazione di Laplace si determina la funzione V(x,y,z)

Applicando

si determina il campo E(x,y,z) E = V

!

!

Formalismo differenziale per E e B

(39)

Equazioni di Maxwell Campo Magnetostatico

0 0 )

(

=

=

B div

B !

! !

Non esistono cariche magnetiche

Campo solenoidale

Legge di Ampere

s B ! d s ! = µ 0 i = µ 0 Σ J ! d Σ !

Σ

Σ

Σ

= Σ

∇ ! ! ! ! !

d J

d

B ) 0

( µ

J

B !

"

" !

"

) 0

( ∇ ∧ = µ

Teorema di Stokes

Formalismo differenziale per E e B

(40)

Equazioni di Maxwell Riepilogo

E ! ! ⋅ s d = 0

0 int

ε d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

= 0 Σ

∫ ⋅

Σ

!

! d B

i s

d

B µ 0

! ! =

Condizioni stazionarie

0 0

) (

ρ ε ρ ε

=

=

E div

E

!

!

!

0 0 )

(

=

=

E rot

! E

! !

0 0 )

(

=

=

B div

B !

!

!

J B

rot

J

B !

"

" !

"

0

)

0

(

µ µ

=

=

V grad E

V E

=

! =

! !

0 2

ε

− ρ

=

∇ V

(41)

Equazioni di Maxwell Campi variabili

Σ

− Φ =

=

⋅ ∫

∫ Σ

!

! !

! B d

dt d dt

B s d

d

E i ( )

Faraday Lentz

Σ

= Σ

∇ ∫

∫ Σ Σ

!

!

!

! !

d dt B

d d E) (

Teorema di Stokes

Σ

= Σ

∇ ∫

∫ Σ Σ

! !

!

!

! d

dt B d d

E) (

E B rot

t E B

− ∂

=

− ∂

=

" !

! !

! )

(

Formalismo differenziale per E e B

(42)

Equazioni di Maxwell Campi variabili Ampere Maxwell

Σ

Σ

Σ

⎟⎟ ⋅

⎜⎜ ⎝

⎛ +

= Σ

∇ ! !

!

!

! !

dt d E J d

d

B ) 0 0

( µ ε

Teorema di Stokes

Σ ⎟⎟ Σ

⎜⎜ ⎝

⎛ +

=

⋅ ! !

! !

! d

dt E J d

s d

s B µ 0 ε 0

⎟ ⎟

⎜ ⎜

∂ + ∂

=

⎟ ⎟

⎜ ⎜

∂ + ∂

=

t J E

B rot

t J E

B

! !

!

! !

!

!

0 0

0

) 0

(

ε µ

ε µ

Formalismo differenziale per E e B

(43)

Equazioni di Maxwell Campi variabili

0 0 )

(

=

=

E div

E !

! !

0 0 )

(

=

=

B div

B !

! !

t B E

rot

t B E

= ∂

= ∂

! !

! !

!

0 0

0

) 0

(

ε µ

ε µ

t E B

rot

t E B

− ∂

=

− ∂

=

" !

! !

! )

(

1 2

= c ε

µ

(44)

Equazioni di Maxwell Campi variabili

Condizioni non stazionarie

0 0

) (

ρ ε ρ ε

=

=

E div

E

!

!

!

0 0 ) (

=

=

B div

B !

!

!

0 int

ε d q

E ⋅ Σ =

∫ Σ

!

!

= 0 Σ

∫ ⋅

Σ

!

! d B

Σ

=

⋅ ∫

∫ Σ

!

! !

! B d

s t d

E δ

δ

) ( 0

0 dt

i d s

d

B Φ E

+

=

!! µ ε = +

⎟ ⎟

⎜ ⎜

∂ + ∂

=

t J E

B rot

t J E

B

! !

!

! !

!

!

0 0

0

)

0

(

ε µ

ε µ

t E B

rot

t E B

− ∂

=

− ∂

=

" !

! !

! )

(

(45)

Equazioni di Maxwell Forma differenziale

In presenza di sorgenti

0 0

) (

ρ ε ρ ε

=

=

E div

E

!

!

!

0 0 ) (

=

=

B div

B !

!

!

⎟ ⎟

⎜ ⎜

∂ + ∂

=

E t J E

B

! !

!

! !

!

!

0

)

0

( µ ε

t E B

rot

t E B

− ∂

=

− ∂

=

" !

! !

! )

(

Nel vuoto

0 0 ) (

=

=

E div

E !

! !

0 0 ) (

=

=

B div

B !

!

!

E t B E

= ∂

! !

! !

!

0

)

0

( µ ε

t E B

rot

t E B

− ∂

=

− ∂

=

" !

! !

! )

(

(46)

Equazioni di Maxwell Equazione di continuità

Conservazione della carica

⎟ ⎟

⎜ ⎜

∂ + ∂

=

t

J E B

! !

!

!

0

) 0

( µ ε

Applichiamo ad ambo i membri l’operatore divergenza

⎟ ⎟

⎜ ⎜

∂ + ∂

=

= t

J E B

! !

!

!

!

!

0

) 0

(

0 µ ε

E t J t

− ∂

=

∂ ∇

− ∂

=

∇ ρ

ε ! !

!

!

0

J t

− ∂

=

∇ ! ! ρ

dt d dq

J ⋅ Σ = −

∫ Σ

!

!

(47)

Dielettrici Introduzione

0 0 0

ε

= σ h E

V

0 0 0

ε

= σ Δ

0 0

0 ε

= σ

E 0

0

0 ( )

Δ V = hs < Δ V ε

σ

Se inseriamo nel condensatore una lastra di materiale conduttore

Indipendemente dalla posizione della lastra

Ricordiamo che …

(48)

Dielettrici Introduzione

Se inseriamo nel condensatore una lastra di materiale dielettrico, ΔV diminuisce

Dielettrico: materiale non conduttore (gomma, vetro, polistirolo..)

Δ V < Δ V 0

Consideriamo il caso il cui tutto il

condensatore sia riempito con dielettrico Δ V κ < Δ V 0 0 > 1

Δ

= Δ

κ

κ V

V

0 0 0

0

κε σ κ

κ

κ

κ Δ = =

Δ =

= E

h V h

E V

elettrica"

tà permittivi

"

anche

relativa"

a dielettric

costante

"

κ

κ

(49)

Dielettrici Introduzione

La variazione del campo elettrico dovuto alla presenza del dielettrico è:

elettrica tà

suscettivi

1 - con

χ = κ

0 0 0

0 0

0 0

1

ε σ κ

κ κε

σ ε

σ

κ

= −

= E − E

0 0 0

χ 1

χ

ε σ

κ = +

E − E

0 0

0 0 0

0 0

1

1

ε σ ε

σ ε

σ κ

κ κ

κ

κ

− =

E = E 0 0

0

ε σ ε

σ

κ

E = − P

E’ come se…

(50)

Dielettrici Introduzione

h V

0

0

ε

= σ Δ

h

h

= 0 Σ C 0 ε

h V

0

0

κε σ

κ = Δ

0

C 0 C

h κ

κε

κ Σ =

=

k o h Σ

=

= ε

ε

ε C κ

Se ε costante dielettric a assoluta

Σ

(51)

Dielettrici Introduzione

Tutti i risultati ottenuti nel vuoto sono validi in presenza di dielettrico

oppure

ε 0 ⇒ ε = k ε o ε = ε r ε o

4 1

0 r λ E = πκε

costante di

o dielettric

κ

costante di

o dielettric

κ

) 1

( x

E = σ −

(52)

Dielettrici Polarizzazione

Sostanze polari: presentano un momento di dipolo intrinseco.

I dipoli si allineano in presenza di campo esterno

Sostanze non polari: sotto l’azione di un campo esterno, un atomo assume un momento di dipolo

ione"

polarizzaz

"

vettore

totale dipolo

di momento

medio dipolo

di momento

i

>

<

=

=

>

<

=

>

<

i i

p p n

P

p N

p p

! !

!

!

!

!

τ

atomi/m 3

atomi

τ n N

N

=

Volume

τ

(53)

Dielettrici Polarizzazione Volume infinitesimo

hd

dp

d d h dq hdq

dp

p

p p

Σ

=

Σ Σ

=

=

σ = Σ

=

Phd dp

P p

e definizion

Dalla τ

P σ = p

Sull’intero volume

p P

= ! σ

Carica di polarizzazione solo sulle faccce del dieletrico. Questa carica non è libera.

[ ] [ ]

⎢ ⎤

= ⎡

⎥ ⎦

⎢ ⎤

⎡ ⋅

=

3

,

2

m

Coulomb m

m Coulomb

P σ

p

!

d Σ

h

(54)

Dielettrici Vettore Induzione Dielettrica

Applichiamo la Legge di Gauss

ε 0 p

l q

d q

E

= Σ

!! ε 0 E ! d Σ ! = dq l dq p Σ

= Σ

⋅ ! ! !

! d dq P d

E l

ε 0 E ! + P ! ⋅ d Σ ! = dq l

) ( ε 0

q l

d P

E + ⋅ Σ =

( ε 0 ! ! ) !

) ( 0 E P D ! ! !

+

= ε ∫ D !d Σ ! = q l

Vettore Induzione Dielettrica

(55)

Dielettrici Vettore Induzione Dielettrica Per la maggior parte dei dielettrici (detti lineari)

E E

P ! ! !

χ ε κ

ε 0 ( − 1 ) = 0

=

Campo all’interno del dielettrico

Dipende dal materiale

) ( 0 E P D ! ! !

+

= ε D ! E ! E !

ε κ

ε =

= 0

l l

E E

D σ

κ ε κ σ κ ε

κ ε κ

ε = = =

=

0 0 0

0

0

Inoltre

n l u

D ! = σ ˆ [ ]

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡

=

2

m

Coulomb

D

(56)

Dielettrici Vettore Induzione Dielettrica

Nel vuoto

0 0 0

0

E E

D

P ! ! !

!

ε

ε =

=

=

Dielettrico

E D

E E

P ! !

!

!

!

ε

χ ε κ

ε

=

=

= 0 ( 1 ) 0

(57)

Dielettrici Vettore Induzione Dielettrica

Linee di campo in un dielettrico Linee di campo in un conduttore

E

P ! !

) 1

0 ( −

= ε κ

E E

D ! ! !

ε κ

ε =

= 0

D D

P D ! ! !

!

κ κ κ

κ ε ε ε

κ

ε ( 1 )

) 1 (

) 1 (

0 0

0

= −

=

=

l

D p

P σ

κ σ κ

κ

κ ( 1 )

) ;

1

( −

− =

= !

!

(58)

Dielettrici Un esempio

Sfera conduttrice con carica q l immersa in un dielettrico omogeneo

Calcoliamo il vettore D su una superficie sferica di raggio r

q l

d

D ⋅ Σ =

! ! D ! = 4 π q r l 2 u ˆ r

Da D ! E !

ε

=

E

P ! !

) 1

0 ( −

= ε κ

otteniamo l u r

r

E q ˆ

4 πκε 0 2

! =

l u r

r

P q ˆ

4 ) 1 (

2

= κ −

!

(59)

Dielettrici Un esempio

Sulla superficie del dielettrico

l u r

R R q

P ˆ

4 ) 1 ) (

( 2

π κ

= κ −

!

l

p σ

κ

σ ( − κ 1 )

= q p q l

κ

κ 1 )

− ( −

=

(60)

Dielettrici Energia

2

2 0

1 κC V U C =

) 2 (

1 2

0 E ) h

κε (

U C = ⋅ Σ

2

2 0

1 ε E u C = κ

Energia immagazzinata

ε E D

ε u C

2 2

2 1 2

1 =

=

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