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Campo elettrico in un condensatore

Campo elettrico tra le armature di un condensatore

Un condensatore piano, le cui armature hanno una superficie di 100 cm2 e sono distanti 0,5 cm, è posto all'interno di un circuito di lato 20 cm che sta attraversando una regione dello spazio sede di un campo magnetico perpendicolare al piano del circuito con velocità di 2 m/s.

Sapendo che l'intensità del campo è 0,5 T, calcolare il campo elettrico tra le armature del condensatore e la carica q che si deposita sulle armature.

Svolgimento

Il circuito di cui si parla nel testo dell'esercizio è assimilabile ad una bobina rettangolare che si sta muovendo con velocità v attraverso un campo magnetico perpendicolare al piano della bobina stessa.

A tale bobina è collegato un condensatore C:

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I dati forniti dal problema sono:

L = 20 cm = 0,2 m

B = 0,5 T

v = 2 m/s

S = 100 cm2 = 100 · 10-4 m2 = 10-2 m2

d = 0,5 cm = 0,5 · 10-2 m

Poiché la bobina si sta muovendo all'interno di un campo magnetico, per la legge di Faraday-Neumann la variazione di flusso del campo magnetico attraverso la superficie del circuito provoca una corrente indotta.

E se è presente una corrente, sarà anche presente appunto una tensione indotta:

legge di faraday-neumann

Ricordando che il flusso del campo magnetico è definito come:

Φ(B) = S · B · cosα

in cui

S è la superficie di cui si deve calcolare il flusso del campo

B è l'intensità del campo magnetico

α è l'angolo che la direzione di B forma con la direzione perpendicolare alla superficie,

si ha che:

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Ora la superficie attraverso la quale calcolare il flusso è quella del piano del circuito e dunque l'angolo tra la normale a questa superficie e il campo vale 0.

La superficie spazzata è il prodotto del lato L del circuito per la distanza orizzontale x percorsa, per cui:

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Ma il rapporto tra x e la variazione di tempo non rappresenta altro che la velocità orizzontale v con cui la barretta si sta muovendo all'interno del campo:

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E ricordando che all'interno di un condensatore vale la relazione tra campo elettrico e potenziale:

E = V/d

Otterremo:

E = ∆Vindotta /d = B · L · v / d = 0,5 · 0,2 · 2 / (0,5 · 10-2) = 40 V/m

Ricordando la definizione di capacità come rapporto tra la carica che si deposita sulle armature e tensione:

C = Q/∆V

e che la capacità è pari a:

C = ε0 · S/d

in cui S è la superficie e d la distanza tra le armature; otteniamo:

Q = C ·∆Vindotta = (ε0 · S/d) ·∆Vindotta

Sostituendo i dati in nostrompossesso, si ha che:

Q = 8,99 · 10-12 ·10-2 / (0,5 · 10-2) ·(0,5 · 0,2 · 2 ) = 3,5 pC (picocoulomb)

Per cui il campo elettrico nel condensatore vale 40 V/m mentre la carica vale 3,5 pC.

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