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Esercizi di fisica con soluzioni/Magnetismo della materia

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1. Un semplice anello

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Un anello di materiale ferromagnetico sottile ha un diametro di d=3 cm, ed una sezione di S=1 mm2. E' fatto di ferro dolce, quindi con un ciclo di isteresi stretto, con buona approssimazione la permeabilità magnetica relativa è costante e pari a μr=1000. Se attraverso le N=100 spire avvolte attorno all'anello scorre una corrente di I=1 mA. Determinare a) la riluttanza; b) il campo di induzione magnetica all'interno del materiale; c) il momento magnetico totale dell'anello.

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2. Un anello con un taglio

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Un anello di materiale ferromagnetico sottile ha un perimetro di ℓ=4 cm, ed una sezione di S=1 mm2. Assumendo la permeabilità magnetica relativa costante pari a μr=1500. a) Quale deve essere il taglio da praticare per avere una riluttanza di ℝ=108H−1. b) Quale è la corrente da iniettare nelle N=50 spire avvolte attorno all'anello per avere un campo di induzione magnetica di Bo=0.1 T nel taglio. c) Se una volta annullata la corrente di magnetizzazione rimane l'anello magnetizzato con un campo di induzione residuo di Br=Bo/2  nel taglio: determinare H  nel taglio e nel materiale ferro magnetico.

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3. Un magnete permanente

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Un magnete permanente è fatto da un toro di lunghezza ℓ=30 cm ed un traferro in aria di d=15 mm. Il campo di induzione magnetica nel traferro vale |B|=0.4 T. Determinare il campo magnetico nel magnete e la sua magnetizzazione

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4. Magnete con curva di magnetizzazione

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La relazione tra B  e H  nel secondo quadrante per un magnete permanente è approssimata con la legge:

B=aH+b 

Con a=3⋅10−5Tm/A  e b=0.6 T. Il magnete ha una forma toroidale con lunghezza ℓ=25 cm, determinare il campo B in funzione della dimensione d  del traferro discutendo i casi limite e in particolare per d=4 cm.

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5. Un elettromagnete

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Un elettromagnete è costituito da un materiale il cui ciclo di isteresi per quanto riguarda il caso studiato è descritto dalla legge:

B=Bs(1−e−H/Hs)H>0

con Bs=1.1 T e Hs=2000 A/m. La lunghezza della parte ferromagnetica è L=30 cm, mentre la spaziatura di ciascuno due traferri è di G=2 mm e la bobina di alimentazione è fatta di N=40  spire. Determinare: a) la permeabilità magnetica per piccoli campi magnetici; b) il valore della corrente necessaria generare nel traferro un campo di B=0.6 T.

Trascurare il flusso disperso (che viene mostrato in maniera esagerata nella figura).

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6. Un circuito magnetico

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Il circuito magnetico mostrato a fianco è costituito da sette rami a forma di parallelepipedo di lunghezza ℓ=30 cm e sezione costante S=1 mm2. Il materiale di cui è fatto il circuito magnetico è ferromagnetico con una permeabilità μr=1000 . La bobina che alimenta il circuito è fatta da N=20  spire percorse da una corrente I=5 A.

Determinare a) la riluttanza totale del circuito magnetico vista dalla bobina di alimentazione; b) B,H,M  nel primo, secondo e terzo ramo parallelo verticale.

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7. Anello toroidale

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Un anello toroidale ferromagnetico ha sezione costante S=4 mm2  e lunghezza media ℓ=25 cm  (le dimensioni trasversali lineari sono trascurabili rispetto a ℓ ). La permeabilità magnetica relativa dell'anello è μr=800  (supposta costante). Sul bordo sono avvolte N=500  spire. Nelle spire viene fatta scorrere una corrente I0=200 mA .

Determinare a) l'induttanza dell'anello; b) il valore del campo di induzione magnetica all'interno dell'anello; c) la corrente affinché nel traferro il campo di induzione magnetica rimanga uguale dopo aver asportato un fatta di materiale di spessore d=1.5 mm ; d) l'energia immagazzinata nel campo magnetico con la corrente calcolata nel punto c).

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1. Un semplice anello

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a)

La lunghezza del percorso magnetico vale ℓ=πd=0.094 m. Quindi la riluttanza vale:

ℝ=ℓμoμrS=74⋅106H−1

b)

Essendo un anello sottile l'intensità del campo magnetico è semplicemente pari a:

|H|=NIℓ=1.07 A/m

Quindi il campo di induzione magnetica vale:

|B|=μoμr|H|=1.3mT 

c)

Il vettore magnetizzazione vale:

|M|=(μr−1)|H|=1070 A/m

Quindi il momento magnetico totale vale:

|m|=|M|ℓS=1⋅10−4 Am2

2. Un anello con un taglio

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a)

Chiamata ℝo  la riluttanza dell'anello non tagliato vale:

ℝo=ℓμoμrS=21⋅106H−1 

Mentre la riluttanza totale vale:

ℝ=ℝo+ℝt 

Dove ℝt  è la riluttanza della zona con taglio, che definendo d  la dimensione del taglio, è pari a:

ℝt=dμoS 

Quindi:

d=μoS(ℝ−ℝo)=10 μm 

b)

Essendo:

NI=ℝϕ=ℝBS 

segue che:

I=ℝBSN=0.2 A

c)

Il campo H_t e B_t=B_r nel taglio essendoci il vuoto sono paralleli e legati dalla relazione:

Ht=Brμo=Bo2μo=39789 A/m

Dovendo essere:

Htd+Hmℓ=0 
Hm=−Htdℓ=−98 A/m

cioè il campo magnetico all'interno dell'anello è in direzione opposta a quello esterno. Notiamo come invece M  sia:

M=Bo2μo−Hm=39887 A/m

3. Un magnete permanente

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Il campo magnetico nel traferro vale:

Ht=Bμ0=3.2⋅105 A/m

Il campo magnetico nel magnete si ricava dal fatto che:

Htd+Hmℓ=0 

Quindi Hm  è in direzione opposta a B  all'interno del magnete:

Hm=−Htdℓ=−1.6⋅104 A/m

Il vettore magnetizzazione vale:

M=Bμ0−Hm=3.3⋅105 A/m

4. Magnete con curva di magnetizzazione

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Il campo magnetico nel magnete si ricava dal fatto che:

Htd+Hmℓ=0 

Quindi Hm  è in direzione opposta a B  all'interno del magnete:

Hm=−Htdℓ=−Bdμ0ℓ

Quindi dovendo essere:

B=−Badμ0ℓ+b 

Si ha che:

B=b1+ad/(μ0ℓ) 

cioè per ad/(μ0ℓ)≪1  B≈b , mentre se ad/(μ0ℓ)≫1  si ha che:

B≈μ0ℓbad 

cioè inversamente proporzionale alla dimensione del traferro. Nel caso specifico essendo:

adμ0ℓ=3.8 
B=0.12 T 

5. Un elettromagnete

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a)

Se H≪Hs  posso approssimare l'esponenziale con:

e−H/Hs≈1−HHs 

Quindi:

B≈BsHHs=μoμrH 

Quindi:

μr=BsμoHs=438 

b)

In un elettromagnete se il flusso disperso è trascurabile il campo di induzione magnetica nel traferro è eguale a quello nel nucleo. Il campo magnetico assume due valori diversi nel traferro:

HT=Boμo=4.8⋅105 A/m 

Mentre all'interno del ferromagnete bisogna tenere conto della relazione che lega B ad H occorre cioè trovare HF  tale che:

Bo=Bs(1−e−HF/Hs)

La cui soluzione è:

HF=Hslog⁡(1−Bo/Bs)=1570 A/m

Dovendo essere per il teorema della circuitazione:

NI=HFL+Ho2G

Segue che:

I=HFLN+Bo2GNμo=60 A

6. Un circuito magnetico

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La riluttanza di un solo ramo:

ℝo=ℓμoμrS=2.4⋅108H−1

La riluttanza totale è dato dalla serie di ℝm1=3Ro con il parallelo di ℝm2=Ro e ℝm3=3Ro cioè:

ℝT=ℝm1+ℝm2ℝm3ℝm2+ℝm3=3ℝo+ℝo3ℝoℝo+3ℝo=154ℝo=9⋅108H−1

Quindi :

ϕ=NIℝT=1.11⋅10−7 Tm2

quindi:

B1=ϕ1S=0.11 TH1=B1μoμr=87 A/mM1=(μr−1)H1=8691 A/m

Inoltre essendo:

NI=3ℓH1+ℓH2
NI=3ℓH1+3ℓH3

Segue che:

H2=3H3 

e anche:

ϕ2=3ϕ3 

Quindi dovendo essere:

ϕ=ϕ2+ϕ3=4ϕ3 

Segue che:

B3=B14=0.0275 TH3=H14=22 A/mM3=M14=2172 A/m
B2=3B14=0.0825 TH2=3H14=65 A/mM2=3M14=6520 A/m 

7. Anello toroidale

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a)

La riluttanza dell'anello è pari a:

ℝ0=ℓμ0μrS=6.2⋅107 H−1 

Quindi:

L0=N2ℝ0=4 mH 

b)

Il valore del campo di induzione magnetica all'interno dell'anello:

B0=NI0ℝ0S=0.4 T 


c)

Il taglio fa divenire la riluttanza di:

ℝT=ℝ0+dμ0⋅S=3.6⋅108 H−1 

Per cui per avere lo stesso campo B0  occorre che:

I=B0ℝTSN=1.16 A 

d)

L'energia magnetica si può calcolare mediante o l'energia immagazzinata nella induttanza:

L1=N2ℝT=0.7 mH 
Em=12L1I2=0.47 mJ 

si poteva anche calcolare ricavando H  nel traferro:

HT=B0μ0=3.2⋅105 A/m 

e nel materiale ferromagnetico:

HF=B0μ0μr=400 A/m 

Quindi l'energia magnetica nel materiale ferromagnetico:

EF=12B0HFℓS=0.080 mJ 

Mentre nel traferro:

ET=12B0HTdS=0.386 mJ 

In totale:

Etot=EF+ET=0.47 mJ