Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda feddy » 21/09/2017, 14:12

Ciao a tutti, non possiedo al soluzione del seguente esercizio, di cui posto il testo come immagine perché non ho molto tempo. [Entro fine pomeriggio lo scriverò come testo].





Immagine


Sol.:


1.
Le linee di campo magnetico sono circonferenze contenute in piani ortogonali all'asse del cilindro. Poiché la densità di corrente è distribuita uniformemente sulla superficie, ho che $i=j \Sigma= j*2 \pi R_1 l$, con $l$ lunghezza del cilindro.

Nella regione interna al cilindro, per $r<R_1$, non c'è nessuna corrente concatenata al cilindro, perciò $B(r)=0$.
Nella regio esterna, $r \geq R_1$, per il teorema di Ampere: $B(r) 2 \pi r = \mu_0 * i =\mu_0 j 2 \pi R_1 l$, da cui $B(r)=(\mu_0 j l R_1)/ r$.

Perciò il campo magnetico è nullo fino a $R_1$, dove "va giù" come $1/r$.

2.
La forza esercitata dal campo sull'elettrone è data da $vecF=q \vecv \xx vecB$. In questo caso l'angolo tra il vettore velocità è $3 \pi /2$, e poiché $q=-e$, $F=Bev$


3.

Nella nuova situazione ho che la corrente è distribuita con la stessa densità su entrambe le superfici dei due cilindri concentrici. Per $r<R_2$, $B(r)=0$.
Per $r>R_1$, $B(r)=0$ poiché le correnti concatenate sono uguali e opposte.

Considero ora la regione $R_2<r<R_1$, cioè la porzione tra le due superfici laterali. Applicando sempre Ampere: $B(r) * 2 \pi r=\mu_0 (-i) =- \mu_0 j 2 \pi R_2 l$ da cui $B(r)= (-\mu_0 j l R_2)/ r$

4.

$u_m=(B^2(r)) /(2 \mu_0$.
E' non nulla solo nella regione dove ho $B(r) !=0$, cioè per $R_2<r<R_1$:

$U_m=\int_{R_2}^{R_1} (B^{2}(r) )/ (2\mu_0) d\tau$, con $d\tau=2*\pi r l dr$ elemento di volume infinitesimo. Allora $U_m=\int_{R_2}^{R_1}( B^{2}(r)) / (2\mu_0) 2*\pi r l dr$. Svolgendo i conti mi risulta $U_m=ln(R_1/ R_2) \pi \mu_0 j^2 l^3 R_2^2$.

5.
Ho $U_m=1/2 L i^2$.
Da questo segue che il coefficiente di autoinduzione $L=(ln(R_1/R_2) l \mu_0)/(2 \pi)$.


Spero di non aver commesso errori grossolani, in particolare mi turba il fatto che il mio cilindro è indefinito, ma ho dovuto usare l'altezza $l$...
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda RenzoDF » 21/09/2017, 16:12

Ne hai commesso uno molto grossolano, la densità di corrente è uniforme sulla "sezione" non sulla "superficie". :wink:

PS Continuando a leggere il testo del problema, sarebbe interessante capire come sia stato "inserito" il primo conduttore nel secondo. :?
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda feddy » 21/09/2017, 16:44

Ciao, grazie della risposta! Sinceramente non me ne ero accorto (sono i primi esercizi che faccio :) )

Vediamo se ho ben capito:

Nel cilindro del punto 1. la densità è uniforme su ogni sezione del cilindro... intende dire che ogni "fetta" infinitesima possiede una densità di corrente uniforme $j$?

Nel cilindro 2., che sarà posto in modo concentrico (e coassiale) al cilindro precedente, la densità è uniforme sulla superfcie. Qui mi è chiaro, perché è quello che ho supposto per entrambi nel punto precedente.

Fin qui va tutto bene? Se sì, procedo col sistemare la soluzione.

Grazie ancora.
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda RenzoDF » 21/09/2017, 16:58

feddy ha scritto:... Nel cilindro del punto 1. la densità è uniforme su ogni sezione del cilindro... intende dire che ogni "fetta" infinitesima possiede una densità di corrente uniforme $j$?

La sezione di un conduttore corrisponde alla superficie circolare che si ottiene dalla intersezione dello stesso con un piano normale al suo asse, se indichiamo con $A$ l'area di questa superficie e con $I$ la corrente nel conduttore il testo ti sta dicendo che la densità di corrente è uniforme e di conseguenza è determinabile dal rapporto \(I / A\).

feddy ha scritto:... Nel cilindro 2., che sarà posto in modo concentrico (e coassiale) al cilindro precedente, la densità è uniforme sulla superfcie. Qui mi è chiaro ...

Come dicevo nel precedente messaggio, a me questo punto non è per nulla chiaro, in quanto viene detto che il primo conduttore cilindrico viene inserito in un secondo conduttore cilindrico, senza specificare se questo secondo conduttore sia cavo o meno, anche perché non viene dato un raggio interno. :roll:
Per quanto riguarda la densità di corrente anche per il secondo, come per il primo, è da intendersi uniforme sulla sezione (che sembra incognita), non sulla superficie.

Da dove arriva quel problema? (Spero non sia una prova d'esame. :) ).
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda feddy » 21/09/2017, 17:14

E' proprio il testo di un'esame... credo sia da intendere che il primo cilindro (quello che andrò a inserire) abbia raggio interno $R_1$ ed è contenuto in modo coassiale con quello di raggio $R_2$. Per quanto riguarda la densità di corrente per il secondo cilindro, il testo dice che scorre la stessa corrente elettrica del primo, ma in verso opposto, "uniformemente distribuita sulla superficie". Secondo me il secondo cilindro è una sorta di guaina esterna...
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda RenzoDF » 22/09/2017, 13:45

Mah, quel testo non mi è chiaro, ad ogni modo, se vuoi vedere il secondo cilindro come una guaina conduttiva con densità di corrente infinita, prova a risolverlo in quella configurazione.
Ultima modifica di RenzoDF il 22/09/2017, 21:37, modificato 1 volta in totale.
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda feddy » 22/09/2017, 13:48

Appena ho tempo per ritornarci su lo faccio! grazie per l'attenzione intanto :)
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda feddy » 23/09/2017, 12:17

Come promesso, mi sono messo a farlo ! :)

1.
Il cilindro è carico sulla sezione e la sua densità (uniformemente distribuita) vale $j=i/(\pi R_1^{2})$.

Distinguo la regione interna al cilindro, $r<R_1$ e la regione esterna $r>R_2$ per utilizzare Ampère.

Regione interna: $B(r) 2\pi r = \mu_0 i = \mu_0 j (r^2)/(R_{1}^{2})$ da cui $B(r)=(\mu_0 j r)/(2 \pi R_1^{2})$.

Regione esterna $B(r) 2 \pi r = \mu_0 j \pi R_{1}^{2}$, da cui $B(r)=(\mu_0 j R_{1}^{2})/(2r)$.


2.
La corrente $i$ scorre verso l'alto, pertanto $v$ ha la stessa direzione ma verso opposto.
Sia $q$ la carica dell'elettrone.
La forza che agisce sull'elettrone è data da $\vecF=q(vecv \xx vecB)$. L'angolo compreso tra $vecv$ e $vecB$ è $\theta=\pi/2$, da cui $F=qvB$.


3.
Ora la corrente è distribuita uniformemente sulla superficie del conduttore, per cui $j=i/(2 \pi R_{2} l)$, con $l$ altezza del cilindro.

Considero le tre regioni $r<R_1, R_1<r<R_2, r>R_2$.

Per $r<R_1$ non dovrebbe cambiare nulla: $B(r)=(\mu_0 j r)/(2 \pi R_1^{2})$
Per $ R_1<r<R_2$, regione tra i due cilindri, utilizzando Ampère: $B(r)2 \pi r=\mu_0 j \pi R_{1}^{2} $, da cui $B(r)=(\mu_0j R_{1}^{2})/(2r)$.
Per $r>R_2$, le due correnti hanno verso opposto, per cui $B(r)=0 T$.


4.
Sperando di aver fatto giusto il precedente punto, calcolo la densità di energia
$u_m$ densità di energia varia a seconda della regione in cui mi trovo.
$r<R_1 , u_m=(\mu_0 r^2 j^2)/(8 \pi^2 R_1^{4})$
$R_1<r<R_2, u_m=(\mu_0 j^2 R_{1}^{4})/(8 r^2)$
$r>R_2, u_m=0$

Integrando nel volume $\tau$ ricavo per ciascuna regione l'energia immagazzinata.

L'elemento di volume infinitesimo $d\tau=2 \pi r l dr$.

Pertanto, per $r<R_1$: $U_m= \int_{0}^{R_1} u_m 2 \pi r ldr= (\mu_0 j^2 l)/(4 \pi R_{1}^{4}) \int_{0}^{R_1} r^3 dr =(\mu_0 l j^2)/(16 \pi)$

Regione interna :

$U_m= \int_{R_1}^{R_2} u_m 2 \pi r ldr= (\mu_0 \pi j^2 l R_1)/(4) ln(R_2/R_1)$


Regione esterna: $U_m=0$

5.
Dalla relazione $U=1/2 L i^2$ ricavo l'induttanza in ciascuna regione, corretto? (risparmio i conti)
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda RenzoDF » 23/09/2017, 18:07

Ti rispondo in velocità in attesa di disporre di un PC: tanto per cominciare in 1 confondi la densità con la corrente, 2 ok,
3 quella densità iniziale non si può vedere :D e anche qui se non erro scambi i con j, e così pure in 4, dove non mi sembra dimensionalmente corretta l'espressione ottenuta per l'energia nella regione interna.

Morale della favola, se ti va di farlo ricontrolla, stasera appena arrivo a casa ti rispondo più estesamente.
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Re: Campo magnetico in conduttore cilindrico

Messaggioda feddy » 23/09/2017, 18:26

Grazie per l'attenzione, ho ricontrollato tutto dall'inizio ma non capisco cosa intendi con
RenzoDF ha scritto:confondi la densità con la corrente
.

Io ho interpretato che un cilindrico con la sezione carica uniformemente significa che dentro c'è corrente $i$ che scorre e $j=i/ \Sigma$, dove ora $Sigma$ è l'area del cerchio.
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