poli magnetici
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MAGNETISMO Magneti magneti naturali: magnetite (minerale del ferro Fe3O4) magneti artificiali: composti di Fe, Ni, Co poli magnetici: Nord e Sud I nomi dei poli magnetici derivano dall’attrazione magnetica terrestre Le forze magnetiche sono attrattive e repulsive Magnetite Ago magnetico Impossibile separare i poli magnetici: esperimento della calamita spezzata Campo magnetico e linee di forza Campo magnetico reso visibile dalla limatura di ferro Gli aghi magnetici visualizzano le linee di forza Le linee di forza del campo magnetico: • sono sempre linee chiuse • sono uscenti dal Nord ed entranti nel Sud • la densità delle linee è proporzionale all’intensità del campo • il vettore campo di induzione magnetica è tangente punto per punto alla linea Campo magnetico terrestre William Gilbert (1544 – 1603) declinazione magnetica (attualmente circa 11,3°) angolo che il meridiano magnetico fa con il meridiano terrestre per un dato punto della terra i inclinazione magnetica deviazione angolare dell’asse dell’ago calamitato rispetto il piano dell’orizzonte modello di Gilbert Campo magnetico del magnete ad U e magneti stampati Esperimento di Hans Christian Oersted (1777 - 1851) 21 luglio 1820 Ha dimostrato che anche la corrente elettrica fa deviare un ago magnetico, quindi produce un campo magnetico. Non passa corrente: l’ago magnetico è parallelo al filo, orientato secondo il campo magnetico terrestre passa corrente: l’ago magnetico ruota di 90° Invertendo la corrente: l’ago magnetico ruota in senso opposto Campo magnetico di un filo rettilineo percorso da corrente Prima regola della mano destra: se il pollice indica il verso della corrente allora le dita si chiudono nel verso del campo magnetico generato 0 i B 2 r 0 4 10 7 H / m Legge di Biot e Savart (ottobre – dicembre 1820) Permeabilità magnetica del vuoto SOLENOIDE o BOBINA (avvolgimento di fili di rame) Il campo magnetico di un solenoide percorso da corrente elettrica è simile a quello del magnete rettilineo Regola della mano destra: se le dita si avvolgono come la corrente, il pollice indica il verso del vettore campo magnetico interno al solenoide Spira e bobina linee di forza del campo magnetico di una spira percorsa da corrente • le linee sono chiuse • la linea centrale è ┴ al piano della spira • il pollice della mano destra indica il verso del campo, se le dita si chiudono nel verso della corrente • l’intensità al centro della spira è: B 0 i 2 r linee di forza del campo magnetico di una bobina percorsa da corrente • le linee sono chiuse • all’interno della bobina le linee sono parallele e indicano un campo uniforme • se il solenoide ha una lunghezza molto maggiore del suo diametro all’esterno il campo è nullo, N B 0 i l Misura dell’intensità del vettore di induzione magnetica B Quando chiudiamo il circuito la barretta percorsa da corrente viene spinta verso l’interno del magnete; invertendo il verso della corrente essa viene spinta verso l’esterno. Il dinamometro misura l’intensità della forza che il campo magnetico applica al conduttore. F B iL La forza di interazione corrente-magnete è direttamente proporzionale alla corrente i e alla lunghezza L del conduttore immerso nel campo magnetico B F i l B ilBsen seconda regola della mano destra: se il pollice si orienta come la corrente e le dita si stendono nel verso del campo magnetico allora la forza ha verso uscente dal palmo della mano Quando B è perpendicolare al filo si ha la massima forza B B Se B è inclinato di un angolo rispetto al filo, la forza è minore Se B è parallelo al filo, la forza è nulla B Bsen B Bsen0 0 TESLA Unità di misura dell’intensità del vettore di induzione magnetica B tesla newton ampére metro gauss 104 tesla Campo magnetico terrestre: 0,610-4T = 0,6G 0,310-4T = 0,3G al polo all’equatore i più potenti elettromagneti usati nella ricerca e nell’industria raggiungono solo pochi tesla Interazione corrente-corrente esperimento di Andre-Marie Ampére (1775 – 1836) 18 settembre 1820 Conduttori paralleli percorsi da correnti con versi opposti si respingono Conduttori paralleli percorsi da correnti equiverse si attraggono 1) Forza di interazione tra due correnti 2) definizione dell’unità di misura della corrente nel S.I. 0 i1i2 F l 2 d Unita’ di misura di corrente nel S.I. L’unità di misura ampére è definita come quella corrente costante che mantenuta in due conduttori paralleli e rettilinei, di lunghezza molto grande e sezione trascurabile, alla distanza di un metro l’uno dall’altro, nel vuoto, produce tra i due conduttori una forza di 2.10-7N per ogni metro di lunghezza Flusso del vettore B, l’unità di misura è il weber (Wb) B Caso generale: Teorema di Gauss per il magnetismo S ( B) 0 Poli magnetici non separabili Il numero di linee entranti in S è sempre uguale al numero di linee uscenti Teorema della circuitazione di Ampére C ( B ) 0i Conseguenza: Il campo magnetico non è un campo conservativo! Applicazione del teorema di Ampére alla bobina ____ C ( B) B AB 0 0 0 C ( B) 0 Ni N B 0 i L N numero di spire concatenate con la linea L lunghezza della bobina racchiusa dalla linea Densita’ di spire n = N/L Momento torcente di un campo magnetico su una spira percorsa da corrente M Fd iSBsen Il momento di una forza é il prodotto della forza per il braccio iS si chiama momento magnetico della spira APPLICAZIONI: strumenti di misura di correnti e tensioni, motore elettrico amperometro e voltmetro a bobina mobile Motore elettrico a corrente continua trasforma energia elettrica in energia meccanica Il magnetismo della materia Proprio come l’elettricità fluisce meglio in alcuni materiali piuttosto che in altri, anche il campo magnetico riesce a “magnetizzare” più facilmente alcuni materiali piuttosto che altri. DIAMAGNETICI PARAMAGNETICI La capacità che ha un materiale di essere magnetizzato se immerso in un campo magnetico esterno è detta permeabilità magnetica relativa e si indica con r . Acqua 0,99999 Argento 0,99998 Aria Ossigeno FERROMAGNETICI Assumendo che il vuoto abbia permeabilità unitaria, risulta che maggiore è il valore di r , più facile è magnetizzare il materiale di cui si tratta. r Classificazione 1,0000004 1,00133 Platino 1,0002019 Ferro dolce 5 000 Leghe speciali 1 000 000 Il magnetismo nella materia Momenti magnetici atomici e molecolari Momento magnetico orbitale e di spin dell’elettrone • Sostanze diamagnetiche, numero pari di elettroni in ogni atomo, momento totale nullo, il materiale non ha magnetizzazione propria • Sostanze paramagnetiche, numero dispari di elettroni nell’atomo, debole magnetismo proprio ad orientazione casuale • Sostanze ferromagnetiche, i momenti magnetici dei singoli atomi sono allineati fra loro localmente dando luogo a ‘domini magnetici’ di forte intensità (Weiss) B B Nelle sostanze diamagnetiche un campo magnetico esterno induce a livello microscopico, una polarizzazione magnetica orientata in senso opposto rispetto a quello del campo inducente: il campo Levitazione magnetica della grafite all’interno del materiale e’ minore di quello esterno B Nelle sostanze paramagnetiche, si ha la polarizzazione magnetica per orientazione. Il campo all’interno del materiale è leggermente maggiore di quello esterno Nelle sostanze ferromagnetiche, si ha la polarizzazione magnetica per orientazione dei domini. Il campo all’interno del materiale è molto maggiore di quello esterno Magneti permanenti e magneti temporanei • Ferro dolce magneti temporanei (elettromagneti) • Acciaio magneti permanenti (ciclo di isteresi) • Ferriti magneti permanenti (ossidi di ferro con aggiunta di zinco, nichel) memorie magnetiche Magneti permanenti: ciclo di isteresi • magneti permanenti (campo coercitivo Hc o temperatura di Curie) • memorie magnetiche (ossidi di ferro con aggiunta di zinco, nichel) Shanghai Transrapid (maglev: treno a levitazione magnetica) motore a induzione lineare La lunga fila di elettromagneti in cui scorre corrente alternata, interagisce con i magneti posti sotto il treno, facendo avanzare il veicolo Come funziona il nastro scorrevole per il recupero dei bagagli in aeroporto? Modello di Ampére del magnetismo dei materiali (ormai superato ma efficace) Sostanza ferromagnetica Sostanza diamagnetica Sostanza paramagnetica
