IL MAGNETISMO
RUSSO MARCO 5 a E
Già Talete di Mileto conosceva le proprietà
della magnetite, i cui pezzi di questo
minerale furono trovati a Magnesia, e perciò
chiamati magneti. Avvicinando un pezzo di
magnetite a una barra di acciaio si ottiene
un magnete artificiale, o calamita. Le 2
estremità del magnete sono chiamate polo
Nord e polo Sud.
La differenza fra i poli magnetici e le cariche
elettriche è che le cariche di un segno si
possono separare da quelle di segno
opposto, ma altrettanto non si può fare con i
poli poiché tagliando in 2 un magnete si
ottengono sempre due magneti.
Le calamite interagiscono tra loro con forze
attrattive o repulsive. Poli magnetici di
nome diverso si attraggono, come fanno le
cariche elettriche di segno opposto, mentre
poli dello stesso segno si respingono, così
come le cariche elettriche dello stesso segno.
La forza magnetica è definita come l’azione
il Polo Sud.
che il campo generato da un magnete
esercita su un altro magnete. Se un ago
magnetico è soggetto a un’azione meccanica,
possiamo dire che è presente un campo
magnetico.
Fra le estremità di un magnete ripiegato, le
Essendo caratterizzato da una direzione e da
un verso, il campo magnetico è un campo
vettoriale (B) chiamato campo magnetico.
Può essere rappresentato attraverso linee di
campo. In particolare, le linee escono dal
magnete per il polo Nord e vi rientrano per
linee di campo, orientate dal Polo Nord al
Polo Sud, sono equidistanti e parallele fra
loro. Quindi il campo magnetico è uniforme.
filo rettilineo fa ruotare un ago magnetico
posto nelle vicinanze. Se la distanza dell’ago
dal filo conduttore è piccola in confronto
alla lunghezza di quest’ultimo, l’ago si
orienta, su un piano perpendicolare al filo,
lungo la tangente a una circonferenza con
centro sul filo stesso. Ciò vuol dire che la
corrente che scorre in un filo è una sorgente
di campo magnetico e che le linee di campo
sono circonferenze concentriche intorno al
filo.
La Terra può essere visto come un magnete,
i cui poli Nord e Sud sono, rispettivamente,
in prossimità dei poli Sud e Nord geografici.
L’origine del campo magnetico terrestre è
probabilmente dovuto al moto, rispetto alla
crosta terrestre, di materiali fusi che
trasportano un’elevata quantità di carica
elettrica.
Una corrente elettrica che scorre lungo un
Successivamente Ampère dimostrò che due
fili paralleli percorsi da corrente esercitano
una forza l’uno sull’altro: si attraggono o si
respingono a seconda che le correnti
scorrano nello stesso verso o in versi opposti.
Dimostrò anche che l’intensità della forza
con cui essi interagiscono dipende dalla loro
distanza e dalle intensità delle correnti. Per la E’ possibile misurare la forza che un magnete
legge di Ampère, si ha:
esercita su un tratto di filo rettilineo percorso
da corrente attraverso un dinamometro. La
forza è perpendicolare sia al filo sia al campo
magnetico, e si inverte se la corrente cambia
verso. Facendo variare l’intensità di corrente
che scorre nel filo, si trova che l’intensità della
forza è direttamente proporzionale all’intensità
di corrente e alla lunghezza del filo: in
particolare, la sua intensità è massima quando
il filo è perpendicolare alle linee, nulla quando
è parallelo.
Il campo magnetico di un filo rettilineo
infinito è descritto da linee di campo
circolari con centro sul filo. Si ha:
(Legge di Biot-Savart)
questo. Il filo infinito è un’astrazione poiché
deve piegarsi alle estremità per chiudersi sui
poli del generatore che fa scorrere in esso la
corrente.
Per calcolare l’induzione magnetica di una
L’induzione magnetica del filo rettilineo
infinito è direttamente proporzionale
all’intensità della corrente che scorre nel filo
e inversamente proporzionale alla distanza da
spira circolare bisogna stabilire quale sia il
campo generato in un punto dalla corrente
che attraversa un piccolo tratto di filo, per
poi determinare il campo dell’intera spira
come somma vettoriale dei singoli tratti.
Le proprietà del campo elettrico sono
Secondo il teorema della circuitazione di
descrivibili con il teorema di Gauss, che
riguarda il flusso del campo e la sua
circuitazione. Il flusso di un campo
magnetico attraverso qualunque superficie è:
Il teorema di Gauss per il magnetismo
afferma che: il flusso di campo magnetico
uscente da qualunque superficie chiusa è
nullo. Quindi, il numero delle linee di campo
entranti è uguale al numero di quelle uscenti,
cioè il flusso netto che entra nella superficie
o esce da essa è uguale a 0.
Ampère, la circuitazione del campo
magnetico dipende dalla corrente netta che
scorre in un dato verso, cioè dalla somma
algebrica delle correnti concatenate, prese
ciascuna con il suo segno. Il teorema afferma
che la circuitazione del campo magnetico,
calcolata lungo qualsiasi cammino chiuso, è
uguale al prodotto della permeabilità
magnetica del vuoto per la corrente totale
concatenata con il cammino.
In fisica, si definisce permeabilità magnetica
relativa, e viene indicato con μr, il rapporto tra
la permeabilità assoluta di un mezzo e la
permeabilità magnetica μ0 del vuoto:
μr=μ/μ0.
In base ai valori della permeabilità magnetica relativa,
si distinguono:
Materiali diamagnetici, in cui μr è indipendente dal
campo magnetico e leggermente minore dell’unità.
Materiali paramagnetici, in cui μr, è indipendente dal
campo magnetico ma cambia con la temperatura,
assumendo sempre valori leggermente maggiori
dell’unità.
Materiali ferromagnetici, in cui μr, dipende sia dal
campo magnetico sia dalla temperatura e può
raggiungere grandezze elevate.
Immaginiamo di inserire un certo
materiale all’interno di un solenoide collegato a
un generatore di corrente elettrica inizialmente
spento. Se aumentiamo gradualmente la
corrente I che scorre nel solenoide, all’interno
del materiale verrà generato un campo
magnetico B⃗ che diventa sempre più intenso
man mano che I cresce. Spegnendo il
generatore, il campo magnetico B⃗ all’interno
del materiale scompare.
Ci sono però alcuni materiali speciali,
detti ferromagnetici, che si comportano
diversamente. Il campo magnetico che viene
prodotto in essi è molto più intenso. Inoltre si
verifica un fenomeno chiamato saturazione
magnetica per cui il campo magnetico non
aumenta più una volta che ha raggiunto un certo
valore caratteristico per ogni materiale. La
situazione è rappresentata dalla figura, in cui
viene rappresentato, in blu, l’andamento
dell’intensità del campo magnetico B⃗ in
funzione dell’intensità della corrente elettrica I.
Se un campo magnetico esercita una forza su un
conduttore percorso da corrente, è lecito pensare
che ogni particella carica che si muove in un
campo magnetico subisce una forza, poiché la
corrente è costituita da cariche in movimento.
Questa forza è la forza di Lorentz, rappresentata
dalla formula:
La direzione della forza di Lorentz è
perpendicolare alla velocità della particella e
perpendicolare al campo magnetico;
Essendo sempre perpendicolare alla direzione della
particella carica, la forza di Lorentz funge da forza
centripeta per una particella di velocità
perpendicolare alla direzione del campo magnetico
e costringe la particella a curvare la sua traiettoria
lungo un percorso circolare, il cui raggio r si può
ricavare uguagliando la forza di Lorentz alla forza
centripeta:
La forza di Lorentz
è alla base di molte
applicazioni
pratiche
come ad esempio il
motore elettrico.
Infatti, il primo
motore
elettromagnetico
realizzato nella
storia è stato
quello di Faraday
nel 1821.
L’INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Nel 1831 Faraday scoprì che in particolari
condizioni un campo magnetico può
generare una corrente elettrica. In un primo
esperimento utilizzò un dispositivo
composto da un anello di ferro avvolto da
due bobine. La prima è alimentata da una
batteria ed è provvista di un interruttore,
mentre la seconda è chiusa su un
galvanometro. Chiudendo l’interruttore del
primo circuito, si registra un passaggio di
corrente anche nel secondo. La corrente che
circola nella bobina non collegata alla
batteria è chiamata corrente indotta.
Il circuito in cui si produce una corrente
indotta è sempre immerso in un campo
elettrico e deve variare nel tempo.
Il flusso del campo magnetico attraverso la
superficie di un circuito elettrico è chiamato
flusso concatenato con il circuito.
Se in un circuito scorre una corrente
indotta, per la prima legge di OHM, in quel
circuito agisce una forza elettromotrice
indotta.
Secondo la legge di Faraday-Neumann la
f.e.m. indotta è tanto maggiore quanto più
rapida è la variazione del flusso.
Il passaggio di corrente indotta genera a sua volta
un campo magnetico (polarità N’ e S’) che, per la
legge di conservazione dell’energia, non potrà
favorire lo spostamento. Se si avvicina il magnete
permanente non potrebbe prodursi sul lato
affacciato un sud, altrimenti non servirebbe più
esercitare lo sforzo di avvicinamento. Nasce
quindi una forza che contrasta il moto del
magnete e quindi si manifesta un N’.
Per quanto riguarda il verso della f.e.m.i. si può
osservare quanto segue.
Il segno negativo, introdotto da Lenz, sta a
significare che il verso della f.e.m.i. è tale da
opporsi alla causa che l’ha prodotta.
Quindi la corrente indotta ha verso tale da
produrre un campo magnetico indotto che
contrasta il campo induttore, cioè che ne
contrasta la variazione di flusso.
I generatori a corrente alternata funzionano grazie
all’induzione elettromagnetica. Per comprendere il
principio di funzionamento di un alternatore
consideriamo una spira piana in rotazione in una
regione dello spazio in cui sia presente un campo
magnetico uniforme.
Nell'Alternatore
La corrente viene prelevata così come si forma
(alternata) dal collettore formato da 2
anelli rotanti sui quali strisciano 2
spazzole collegati ai cavi. Ad ogni mezzo giro la
corrente raccolta da ciascuna spazzola varia di
polarità.
Nella Dinamo
Il collettore è composto da 1 anello diviso
in diverse sezioni e ad ogni mezzo giro delle
spire cambia in essa la polarità, ma cambia anche la
sezione di anello con ciascuna spazzola, per cui
ciascuna spazzola raccoglie un solo tipo di polarità
(solo positiva o solo negativa), la corrente ha una
sola direzione ed è quindi continua.
