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Lavoro compiuto dalla Forza di Lorentz

Calcolo del lavoro compiuto dalla Forza di Lorentz

Un conduttore rettilineo lungo mezzo metro si muove all'interno di un campo magnetico di intensità 10-4 T con velocità costante e perpendicolare alle linee di forza del campo.

Attraverso un voltmetro si misura ai capi del conduttore una ddp indotta di 0,20 V.

Calcolare la velocità del conduttore attraverso il campo e quanto vale il lavoro compiuto dalla Forza di Lorentz su un singolo elettrone di conduzione.

Svolgimento

La situazione descritta nel problema corrisponde a quella relativa ad una regione di spazio in cui è presente un campo magnetico attraverso il quale si sta muovendo a velocità costante V una barretta conduttrice lunga L.

La velocità V risulta perpendicolare al campo, per cui ipotizziamo che il campo sia entrante nel foglio e la velocità rivolta verso destra:

330

In questo problema la scelta di campo entrante o uscente è arbitraria così come il verso della velocità.

Attraverso la barretta il flusso del campo magnetico varierà nel tempo, in quanto il conduttore si sta muovendo, e tale variazione per la legge di Faraday-Neumann provoca una corrente indotta. E se è presente una corrente, sarà anche presente una tensione indotta ai capi del conduttore:

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.

Avremo che:

L = 0,5 m

α = 0°

B = 10-1 T

ΔVind = 0,20 V

Dunque sostituiamo nella formula della ΔVind la formula che ci consente di calcolare la variazione del flusso:

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Ora la superficie attraverso la quale bisogna calcolare il flusso è quella che la barretta crea col suo movimento verso destra, dalla posizione 1 alla 2, e vale il prodotto della lunghezza del conduttore per la distanza orizzontale d percorsa:

332

333

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

334

Dalla precedente possiamo dunque ricavare il valore della velocità v:

335

Il problema chiede infine di determinare il lavoro che la Forza di Lorentz compie su ogni singolo elettrone di conduzione.

Ricordando che il lavoro svolto su una carica vale:

L = q · ΔV

e che un elettrone ha carica pari a:

q = 1,6·10-19 C

otteniamo:

L = 1,6·10-19 · 0,2 = 0,32 ·10-19 J = 0,20 eV

Dunque in definitiva la velocità con cui il conduttore si sta muovendo all'interno del campo magnetico vale 4 m/s e il lavoro svolto sugli elettroni di conduzione vale 0,20 eV (0,20 elettronvolt).

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