Dodicesima Lezione

1. Dodicesima Lezione Le Equazioni di Maxwell

2. Riassunto della lezione precedente • Alcune note sulle trasformazioni relativistiche responsabili di B • Quando la legge di Faraday restituisce risultati prevedibili con la forza di Lorentz • Natura e conseguenze della legge di Lenz: autoinduzione, “inerzia” ed “attrito viscoso” prodotti da B; effetto Meissner • Mutua ed autoinduttanza • Induttore • Trasformatore • Generatore fem alternata

3. Legge di Ampère rivista: la legge di Ampère-Maxwell • James Clerk Maxwell (1831-1879) diede una trattazione unitaria e sistematica dei risultati di Faraday, Ampère e Gauss. Le forme differenziali che abbiamo visto sono sue…. • Si accorse che la legge di Ampère, così come scritta, aveva una limitazione gravissima: contraddiceva il principio di conservazione della carica!!

4. Legge di Ampère rivista: la legge di Ampère-Maxwell • Infatti: calcoliamo la divergenza della legge di Ampère (la scriviamo per H) • Visto che la divergenza di un rotore è sempre nulla: quindi la divergenza di J sembra nulla, mentre deve essere (lezione 7) • Che è il principio di conservazione della carica in forma differenziale!! • Manca qualcosa…...

5. Legge di Ampère rivista: la legge di Ampère-Maxwell • Maxwell postulò che dovesse esistere un altro termine nella legge di Ampère che sparisce in assenza di variazioni temporali, ovvero • Il termine aggiuntivo si definisce corrente di spostamento • Se ora calcoliamo la divergenza della legge così modificata, ricordando la legge di Gauss, • Cioè proprio il principio di conservazione (o di continuità) di carica

6. Leggi di Maxwell + Tutto sui campi EM ed i loro effetti!

7. Quanto è importante il termine di corrente di spostamento?? • Lo gonfiamo e sgonfiamo ciclicamente tra due raggi rmin ed rmax, per esempio secondo la legge • Supponiamo di avere un pallone carico elettricamente con carica Q • Produce un campo elettromagnetico? O produce almeno un campo magnetico? • Saremmo indotti, dalla legge di Ampère, a pensare che un campo magnetico c’è ma…..

8. j E B? G Q Quanto è importante il termine di corrente di spostamento?? • Sembrerebbe esserci infatti una corrente (anzi, c’è) in ogni superficie intermedia attraversata dal pallone: del resto la continuità della carica (forma integrale): • Cioè ogni superficie intermedia misura una j(r) • Su una di queste superfici prendiamoci una curva G: c’è una corrente attraverso essa e ci aspetteremmo un campo che circola come indicato…. • Strano: B sembra avere una direzione speciale, che nulla ha a che fare con la simmetria sferica, e che dipende dalla scelta di G

9. Quanto è importante il termine di corrente di spostamento?? • Del resto se esistesse tale B, risulterebbe anche variabile nel tempo e, per la legge di Faraday, produrrebbe ovunque un campo elettrico tempo-variante • Mentre, se ci mettiamo ad r>rmax, sappiamo che il campo elettrico generato da una sfera carica dipende solo dalla distanza tra il punto di misura ed il suo centro (Q/4per2) • Non variando Q, non avremmo un campo elettrico che varia nel tempo! Un ulteriore riprova che qualcosa non va

10. Quanto è importante il termine di corrente di spostamento?? • Ci salva il termine della corrente di spostamento: il campo magnetico non dipende solo da j ma anche dalla corrente di spostamento, ovvero dalla variazione per unità di tempo del flusso elettrico! Calcoliamolo • Dove abbiamo confrontato con l’espressione ottenuta dal principio di conservazione di carica • La corrente di spostamento compensa completamente la corrente di “conduzione”!

11. Quanto è importante il termine di corrente di spostamento?? • Consideriamo un altro caso: un filo è attraversato da una corrente che carica un condensatore • La corrente i è proprio pari a dQ/dt, variazione della carica sul condensatore • Se non ci fosse il termine di corrente di spostamento saremmo costretti a immaginare che il campo magnetico sparisce in corrispondenza delle armature • La legge di Ampère/Maxwell da, in corrispondenza del filo • La legge di Ampère/Maxwell da, in corrispondenza del condensatore

12. Quindi: in generale • Un campo elettrico è prodotto: • o da cariche elettriche • o da un campo magnetico che varia nel tempo • Un campo magnetico è prodotto: • o da correnti elettriche • o da un campo elettrico che varia nel tempo • Possiamo avere un campo elettrico dove non ci sono cariche ed un campo magnetico dove non ci sono correnti

13. Qualitativamente... • Un campo elettrico che varia nel tempo produce un campo magnetico che varia nel tempo, che produce un campo elettrico che varia nel tempo…. • Ma cos’è c che compare nelle equazioni? (nascosto da noi in mo) Nelle equazioni di Maxwell era una costante da determinare sperimentalmente (come eo) che appariva essere • Quantitativamente uguale alla velocità della luce nel vuoto • Pari alla velocità con cui si propaga l’interazione elettromagnetica (lo vedremo) • “….sarebbe difficile evitare la conclusione che la luce consiste di oscillazioni trasversali del medesimo mezzo che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici” J.C. Maxwell

14. Non ci sono cariche Implicazioni in equazioni • Poniamoci in una regione (magari nel vuoto) in cui non ci sono né correnti né cariche, ma c’è un campo elettromagnetico • Prendiamo il rotore della prima • Applichiamo la solita identità a sinistra e sostituiamo la seconda a destra

15. x z Equazione d’onda • Equazione di Helmholtz o d’onda • Quindi, nel vuoto • Vediamo cosa rappresenta in un caso semplice: immaginiamo di avere un campo elettrico tutto in x e che dipende solo dalla coordinata z • Provando a sostituire verifichiamo che le soluzioni hanno l’aspetto di • Non avendo parlato di condizioni al contorno non possiamo dire nulla per ora sul dettaglio di f

16. Equazione d’onda • Prendiamo per esempio la soluzione con il segno negativo: • All’aumentare del tempo, subisce una traslazione sull’asse z: mettiamoci a guardare f ad un certo istante, e vediamo una forma per f. Se aumenta t, devo aumentare z per continuare a vedere la stessa forma • Di quanto devo aumentare z? se passa Dt, devo spostarmi di Dz tale che • Cioè: mi devo spostare verso z crescenti alla velocità della luce. La soluzione descrive un campo che si propaga alla velocità c in direzione di z

17. Equazione d’onda • Le soluzioni delle equazioni di Maxwell sono onde 'light itself (including radiant heat, and other radiations if any) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field’ J.C. Maxwell • Viceversa, dovremo viaggiare a -c nell’altra soluzione • Immaginiamo che a dare il via a quest’onda, da qualche parte lontano nello spazio dal nostro punto attuale di osservazione, sia stata una corrente alternata • Ci aspettiamo campi anch’essi sinusoidali: in effetti • Soddisfa l’equazione d’onda

18. Equazione d’onda • Se E ha tale forma, il campo H riusciamo a ricavarlo dall’equazione di Faraday • Tutto diretto lungo y: sia H che E sono ortogonali alla direzione di propagazione (ed ortogonali tra loro) ed uniformi nel piano xy: onda piana

19. Equazione d’onda • Notate Ex ed Hy sono in un rapporto costante: • Impedenza d’onda • Il segno dipende dalla direzione di propagazione (quale sia l’effettiva direzione di propagazione dipenderà dalle condizioni al contorno)