Elettromagnetismo

2. Elettromagnetismo
L'elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica
e le loro correlazioni (come ad esempio i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche e le
correnti elettriche prodotte dai campi magnetici variabili).
2.1 Il magnetismo
Il magnetismo è quel fenomeno fisico, per cui
alcuni materiali sono in grado di attrarre il ferro
nonché trasmettere tale capacità ad altri
materiali.
Analogamente al caso elettrostatico anche nel
magnetismo si individuano due sorgenti di
campo di natura opposta che vengono
convenzionalmente definiti poli3. Usando come
magnete di riferimento la Terra si parlerà allora
di polo nord (N) e sud (S), in particolare il polo
nord geografico corrisponde grossomodo al
polo sud magnetico4 e viceversa.
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L'esistenza di un magnetismo naturale era noto
già agli antichi greci (V - VI secolo a.C.), ma
probabilmente ancora precedentemente era
stato scoperto nell'antica Cina dove, si dice,
fosse in uso un rudimentale prototipo di
bussola magnetica.
Pare che Archimede (287-212 a.C.) abbia
cercato di magnetizzare le spade dell'esercito
siracusano al fine di disarmare più facilmente i
nemici.[1]
Quello che è certo, comunque, è che gli antichi
avevano scoperto la capacità di alcuni minerali
(ad esempio la magnetite) di attrarre la limatura
di ferro o piccoli oggetti ferrosi. Questa capacità
di esercitare una forza a distanza ha dato fin
dagli albori un particolare significato nei secoli
al magnetismo. Tuttora nel XXI secolo si sente
ancora talvolta parlare di forze magnetiche
lasciando sottintendere un significato arcano e
misterioso.
I primi studi quantitativi sui fenomeni magnetostatici si possono far risalire alla fine del
Settecento - inizio dell'Ottocento ad opera dei
francesi Biot e Savart e, successivamente, di
Ampère sempre in Francia.
3
Poli: il nome deriva dall’esperienza che la punta magnetizzata di un ago si orienta in direzione del polo nord geografico
prendendone il nome, conseguentemente l’altro capo dell’ago prende il nome di polo sud.
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Lo scostamento è di circa 11°.
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I magneti
Definizione
Un magnete (o calamita) è un corpo che
genera un campo magnetico.
Un campo magnetico è invisibile all'occhio
umano, ma i suoi effetti sono ben noti: sposta
materiali ferromagnetici come il ferro e fa
attrarre o respingere due magneti.
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Il nome deriva dal greco μαγνήτης λίθος
(magnétes líthos), cioè "pietra di Magnesia",
dal nome di una località dell'Asia Minore, nota
sin dall'antichità per gli ingenti depositi di
magnetite.
Definizione
In fisica, in particolare nel magnetismo, il campo magnetico (H) è un campo di forze generato
nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo.
Ricorda!
L’unità di misura del campo magnetico è l’Ampere/metro, indicato con la lettera A/m.
Definizione
Un magnete permanente è formato da un materiale che è stato magnetizzato e crea un proprio
campo magnetico.
I materiali che possono essere magnetizzati sono anche quelli fortemente attratti da una calamita,
e sono chiamati ferromagnetici (o ferrimagnetici); questi includono ferro, nichel, cobalto, alcune
leghe di terre rare e alcuni minerali naturali come la magnetite. Anche se i materiali ferromagnetici
(e ferrimagnetici) sono gli unici attratti da una calamita così intensamente da essere comunemente
considerati "magnetici", tutte le sostanze rispondono debolmente ad un campo magnetico,
attraverso uno dei numerosi tipi di magnetismo.
Alcuni fenomeni dalla fisica
Calamita. Una proprietà interessante dei magneti naturali
è che essi presentano sempre sia un polo N che un polo
S. Se si divide in due parti un magnete, tentando di
"separarne" i due poli, si ottengono due magneti del tutto
simili (ciascuno con una coppia di poli opposti). Poiché il
processo può concettualmente proseguire all'infinito è
ipotizzabile che il magnetismo naturale abbia origine nelle
proprietà atomiche della materia.
Bussola. Se il polo N di una calamita viene avvicinato al polo N di un ago
calamitato, si nota che l’ago subisce una rotazione, il polo N dell’ago si
allontana mentre il polo S dell’ago è attratto. Lo stesso si verifica se si
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avvicinano due poli S.
Ricorda!
Polarità dello stesso nome si respingono, mentre polarità di nome opposti si attraggono.
Se fissiamo un ago magnetico molto piccolo sul suo
centro in modo che esso non subisca rotazioni e lo
immergiamo nel campo magnetico prodotto da una
calamita, questo si dispone in una determinata
direzione. Questa direzione prende il nome di linee
di forza del campo magnetico. Nella figura sono
riportate le linee di forza del campo magnetico
generato da una calamita. Il verso delle linee di
forza si assume uscente dal polo N ed entrante nel
polo S.
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2.2 Relazione tra campo magnetico e corrente elettrica
Mentre preparava il materiale per una lezione,
Ørsted scoprì qualcosa che lo sorprese molto:
egli avvicinò una bussola magnetica ad un filo
elettrico in cui scorreva corrente e l'ago
magnetico della bussola si mosse improvvisamente. Ørsted fu così sorpreso che ripeté
l'esperimento. Egli realizzò un circuito con il filo
conduttore in direzione nord-sud fissata dai poli
geografici. Al di sotto del filo, mise l'ago
magnetico che si indirizzò spontaneamente
lungo la stessa direzione del filo. Chiuse il
circuito e notò che appena la corrente passava
per il conduttore, l'ago magnetico deviava la
propria direzione e se la corrente fornita era di
alta intensità, la direzione diventava perpendicolare a quella del filo. Ne concluse che un
conduttore percorso da cariche elettriche in movimento genera nello spazio circostante un campo
magnetico e se la corrente è abbastanza intensa, l'ago punta in direzione perpendicolare alla
direzione del filo.
L'esperienza di Ørsted dimostra che una corrente elettrica genera un campo magnetico. Prima di
questo esperimento si era tentato di trovare un legame tra le cariche elettriche e i magneti, ma
senza risultato, poiché di fatto un campo magnetico non ha alcun effetto su una carica elettrica in
stato di quiete, ma soltanto su una carica in movimento. Infatti solo le cariche elettriche in moto
producono un campo magnetico.
Ricorda!
Un qualsiasi conduttore percorso da corrente genera intorno a sé un campo magnetico.
Filo rettilineo
Le linee di forza del campo magnetico
generato da un filo percorso da corrente sono
perpendicolari alla corrente in ogni punto: ciò
significa che sono rappresentate da cerchi
concentrici attorno al filo. Il verso delle linee di
forza è dato dalla regola della mano destra:
afferrando il filo con la mano destra e puntando
il pollice in direzione della corrente, le dita della
mano indicano il verso delle linee di forza del
campo magnetico generato dal filo. Le linee di
forza inoltre sono tanto più fitte quanto più è
intensa la corrente che passa nel filo e quanto
minore è la distanza dal filo stesso.
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Ricorda!
Regola della mano destra: pollice in direzione della corrente I, campo magnetico H nel verso della
chiusura della mano.
Il valore dell’intensità del campo magnetico H percepito ad una distanza r dal filo nel quale scorre
una corrente I è
Ricorda!
H=
I
2 ⋅ π ⋅r
I = 2 ⋅ π ⋅r ⋅H
r=
I
2 ⋅ π ⋅H
Insieme di fili rettilinei paralleli
Il valore dell’intensità del campo magnetico H generato da un
insieme di N fili lungo l posti in parallelo e percorsi dalla
stessa corrente I è
Ricorda!
H=
l=
N ⋅I
2 ⋅l
l=
2 ⋅l ⋅H
N
N=
Solenoide rettilineo
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N ⋅I
2 ⋅H
2 ⋅l ⋅H
I
Nel caso in cui la corrente percorra un filo avvolto a spira anziché un filo rettilineo, le linee di forza
del campo sono ancora perpendicolari al filo in ogni punto e il suo verso è quello di una vite
destrorsa che percorre il filo nel senso della corrente.
Un filo percorso da corrente avvolto a spirali ravvicinate costituisce un solenoide. Un solenoide
percorso da corrente produce anch'esso, naturalmente, un campo magnetico, prodotto dalla
somma dei campi magnetici di ciascuna spira del solenoide. All'interno del solenoide le linee di
forza del campo magnetico sono parallele, ovvero il campo è uniforme.
Il valore dell’intensità del campo magnetico H generato da un solenoide rettilineo formato da N
spire, lungo l e percorso da una corrente I è
Ricorda!
H=
N ⋅I
l
l=
N ⋅I
H
l=
Il campo magnetico
prodotto da un solenoide
percorso da corrente può
perciò essere assimilato a
quello prodotto da una
sbarretta magnetica, i cui
poli sono posti agli estremi
del solenoide e dipendono
dal verso della corrente.
Solenoide toroidale
Il valore dell’intensità del campo magnetico H
generato da un solenoide toroidale formato da
N spire di raggio r percorse da una corrente I è
Ricorda!
H=
l=
N ⋅I
2 ⋅ π ⋅r
2 ⋅ π ⋅r ⋅H
N
r=
N=
N ⋅I
2 ⋅ π ⋅H
2 ⋅ π ⋅r ⋅H
I
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l ⋅H
N
N=
l ⋅H
I
Induzione e permeabilità magnetica
L'intensità del campo magnetico prodotto da un solenoide può essere notevolmente aumentata
applicando all'interno delle spire del solenoide una sbarra di ferro o di un altro materiale
ferromagnetico: il solenoide magnetizza il ferro e il campo magnetico prodotto dal solenoide si
somma a quello prodotto dal magnete artificiale. Un sistema di questo tipo viene chiamato
elettromagnete. Gli elettromagneti sono molto usati nelle applicazioni tecnologiche: la forza di
attrazione che possono esercitare dipende dal numero di avvolgimenti e dall'intensità della
corrente che circola nelle spire e può raggiungere valori estremamente elevati. Piccoli
elettromagneti si trovano per esempio nei campanelli e negli altoparlanti, mentre grossi
elettromagneti sospesi a gru permettono di sollevare grandi quantità di materiali ferrosi negli
impianti di trattamento dei metalli.
Definizione
L'induzione magnetica (B) è un campo di forze utilizzato per descrivere la polarizzazione
magnetica di un materiale in seguito all'applicazione di un campo magnetico.
Ricorda!
L’induzione magnetica si misura in tesla5, T.
Ora resta da capire il rapporto che intensità magnetica H e induzione magnetica B.
Le due grandezze sono legate dalla seguente legge
Ricorda!
B = µ ⋅H
H=
B
µ
µ=
B
H
dove con µ è indicata la permeabilità magnetica.
Definizione
La permeabilità magnetica di un materiale è una grandezza fisica che esprime l'attitudine del
materiale a magnetizzarsi in presenza di un campo magnetico.
5
Tesla: Prende il nome da Nikola Tesla (Smiljan, 10 luglio 1856 – New York, 7 gennaio 1943) è stato un ingegnere
elettrico, inventore e fisico serbo naturalizzato statunitense nel 1891.
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Essa è indicata come permeabilità magnetica assoluta µ la cui unità di misura sono gli Henry6 al
metro [H/m]. Essa può anche essere indicata come permeabilità relativa µr
rispetto alla
permeabilità del vuoto µ0 secondo al relazione
Ricorda!
µr =
µ
µ0
µ = µr ⋅ µ0
Ovviamente µr è un numero puro (adimensionale) e µ0 = 4 ⋅ π ⋅10 −7 .
Ricorda!
In funzione del valore di µr le sostanze esistenti in natura si suddividono in
diamagnetiche, paramagnetiche, ferromagnetiche.
Diamagnetiche
hanno µr < 1 (di poco)
Paramagnetiche
hanno µr > 1 (di poco)
Ferromagnetiche
hanno µr molto maggiore di 1
(centinaia, migliaia di volte)
idrogeno
aria
ferro
acqua
ossigeno
nichel
argento
alluminio
molibdeno
bismuto
manganese
cobalto
Ricorda!
L’intensità del campo magnetico non dipende dal mezzo.
6
Henry: Il nome deriva da Joseph Henry (Albany, 1797 – Washington, 1878) che è stato un fisico statunitense.
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