Le calamite Magnetismo

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1 I s t i t u t o P r o f e s s i o n a l e d i S t a t o p e r l I n d u s t r i a e l A r t i g i a n a t o C A V O U R - M A R C O N I L o c. P i s c i l l e - V i a A s s i s a n a, 4 0 / d P E R U G I A - T e l / F a x / i p s i a p t i n. i t - P.E.C. pgri110005@pec.istruzione.it - sito internet: w w w. i p s i a p g. i t CLASSE 3E1 Anno scolastico 2012/2013 Laboratorio Tecnologico *********************************** Le calamite Magnetismo *********************************** Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 1 di 12

2 Introduzione Tutti quanti conoscono l'esistenza delle calamite ed il loro comportamento, così come tutti sanno cosa sia una bussola e cosa faccia. Meno chiare sono le leggi che regolano tali fenomeni e la loro natura. Nei paragrafi seguenti introduciamo le basi teoriche del magnetismo e diamo una spiegazione esauriente a vari fenomeni ad esso legati. Il magnetismo in natura Le calamite Analizziamo il comportamento di una calamita: comunque io la posizioni essa è in grado di attirare molti oggetti metallici. Ma cosa succede se mettiamo vicine due calamite? Vedrete subito che a seconda di come le posizioniamo la forza che si esercita tra loro può essere tanto attrattiva quanto repulsiva. Come possiamo dare spiegazione di questo fenomeno? Per farlo è sufficiente dire che la calamita è dotata di due poli distinti che per convenzione chiameremo nord e sud. Poli uguali tenderanno a respingersi mentre poli opposti tenderanno ad attrarsi. Spezzando in due una calamita non è però possibile separare i due poli; si ottengono infatti due calamite differenti ognuna delle quali con due poli. La bussola Se osserviamo il comportamento di una bussola vicino ad una calamita vediamo che la bussola cambia la sua orientazione in funzione della posizione della calamita, comportandosi esattamente nello stesso modo della calamita. Se ne può dedurre che una bussola è una sorta di piccola calamita con un polo nord ed un polo sud. La bussola si orienta sempre parallelamente al campo magnetico in cui è immersa. La Terra genera un campo magnetico che fa ruotare le bussole fino a che non indicano la posizione del polo nord magnetico come in figura. Una bussola indica sempre la direzione del polo nord magnetico. Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 2 di 12

3 Origine del magnetismo Il magnetismo è un fenomeno strettamente legato all'interazione elettrica, ed in particolare è legato al movimento delle cariche. Questo è stato dimostrato quando si è visto che il comportamento di una bussola viene influenzato quando si posiziona la bussola in prossimità di un filo conduttore percorso da corrente. Se la corrente elettrica è in grado di influenzare il comportamento di una bussola, allora vuol dire che essa emette un campo magnetico con il quale la bussola interagisce. Il campo magnetico Il vettore campo magnetico si genera con il movimento di una carica elettrica. L'unità di misura il campo magnetico è il Tesla. Sin dall'antichità si conoscono delle rocce magnetiche (magneti o calamite naturali) capaci di attirare il ferro, il cobalto, il nichel ed alcune leghe e di creare un campo magnetico. Anche la Terra ha un campo magnetico e per secoli i marinai si sono affidati ad esso tramite la bussola. Il campo magnetico è sempre dipolare: ha un polo nord ed un polo sud magnetico. Se si spezza una calamita si creano dei nuovi poli e quindi delle calamite più piccole. Alcune sostanze si magnetizzano in presenza di un campo magnetico, ma allontanate dal campo induttore perdono il loro magnetismo (magneti temporanei); invece altre sostanze lo conservano a lungo: magneti ad alta permanenza. Avrete sicuramente avuto a che fare con delle calamite (o magneti naturali). Esistono dei magnetini che generalmente si attaccano alla porta del frigorifero ed anche dei giochi magnetici. Cerchiamo di descrivere il comportamento e le proprietà delle calamite con piccoli esperimenti qualitativi. Procurati due calamite: tenendone ferma una, avvicina ad essa l'altra calamita. Che cosa accade? Avvicina ad una delle calamite alcuni piccoli oggetti di diversi materiali (un chiodo di ferro, un filo di rame, una gomma, un fermaglio d'acciaio, una moneta..). Che cosa accade per ciascuno di essi? Lascia per un po' di tempo un ago d'acciaio a contatto con una calamita (meglio se grossa). Cosa accade? Procurati della limatura di ferro e un cartoncino rigido di colore chiaro. Spargi un po' di limatura sul cartoncino in modo abbastanza uniforme e poi, mantenendo il cartoncino orizzontale, metti una calamita sotto di esso. Cosa accade alla limatura? Prova a muovere la calamita: cosa succede? Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 3 di 12

4 Avvicinando due calamite tra di loro si avverte una forza attrattiva o repulsiva, a seconda delle estremità che vengono avvicinate. Ogni calamita presenta infatti due estremità (o due facce) con proprietà opposte, dove le forze risultano particolarmente intense: esse vengono chiamate polo nord e polo sud. Si manifesta una forza repulsiva tra due poli uguali ed una forza attrattiva tra due poli diversi, un po' come accade con le cariche elettriche positive e negative. Con un po' di attenzione è possibile far muovere, senza toccarla, una delle due calamite, manovrando opportunamente l'altra. Alcuni degli oggetti citati sono sempre attratti dalla calamita. Questi oggetti sono fatti di materiali ferromagnetici. Essi, particolarmente importanti nello studio del magnetismo, sono relativamente pochi: ferro, cobalto, nichel e le loro leghe (l'acciaio è una lega di ferro e carbone). Gli altri oggetti non sembrano reagire alla presenza della calamita (anche se alcuni ne risentono molto debolmente). L'ago tenuto a contatto della calamita diventa a sua volta un magnete, caratterizzato dalla presenza di un polo nord e di un polo sud ai suoi estremi. La zona di spazio circostante un magnete si chiama campo magnetico La limatura di ferro permette di visualizzare le linee di campo magnetico: esso infatti causa l'orientazione delle piccole scaglie di ferro che compongono la limatura. L'andamento delle linee del campo dipende dalla forma della calamita. I magneti naturali sono fatti di magnetite, un minerale di ferro le cui proprietà erano note fin dai Greci antichi (la Magnesia era infatti un regione della Grecia ricca di questo materiale). Che differenza puoi notare fra il comportamento dell'ambra (o di un altro corpo che si può caricare per strofinio) ed un magnete naturale? Come abbiamo visto, un magnete naturale attrae, senza bisogno di essere caricato, le sostanze ferromagnetiche. L'ambra invece ha bisogno di essere strofinata per acquistare una carica elettrica con la quale è in grado di attrarre oggetti leggeri fatti di qualunque materiale. Esiste un'altra fondamentale differenza tra cariche elettriche e poli magnetici: mentre è possibile avere una carica singola (positiva o negativa), i poli magnetici non possono essere separati. Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 4 di 12

5 Esiste una famosa esperienza detta della calamita spezzata: spezzando in due una calamita a barra, non si ottiene un polo nord e un polo sud isolati, ma si ricreano due calamite, ognuna con polo nord e polo sud e questo fenomeno persiste qualsiasi sia il numero di pezzi in cui tagliamo la calamita originaria. La più semplice struttura magnetica esistente è un dipolo: non esistono monopoli magnetici! Comunque si spezzi in due una calamita, si ricrea sempre un dipolo magnetico con un polo nord e un polo sud La Terra funziona come un gigantesco magnete (con il polo sud magnetico che, per definizione, è quello vicino al nord geografico). La direzione e il verso delle linee di campo magnetico si determinano con un aghetto magnetico che si orienta sempre tangentalmente alle linee. Gli angoli che l'ago forma con i piani orizzontale e verticale in ogni punto della superficie terrestre, si dicono rispettivamente declinazione e inclinazione magnetica. Campo magnetico terrestre Il verso delle linee di campo va convenzionalmente dal polo nord magnetico (sud geografico) verso il polo sud magnetico (nord geografico), ma, come vedremo, esse non finiscono nei poli, ma continuano all'interno della Terra dal sud al nord magnetico. Il polo sud magnetico si trova nei pressi del polo nord geografico terrestre. Interazioni tra magneti e cariche elettriche L'esperienza di (Oersted) ha dimostrato che la corrente (cioè il moto di cariche elettriche) agisce su un ago di bussola tramite il campo magnetico che si produce nello spazio circostante. Per un principio di simmetria, spesso soddisfatto dalle leggi fisiche, ci si aspetta che un campo magnetico preesistente, Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 5 di 12

6 prodotto per esempio da una calamita, possa a sua volta agire su cariche elettriche in moto o su una corrente. corrente < > campo magnetico Curiosità: In un tubo catodico ( esempio: cinescopio utilizzato nei vecchi televisori; Oscilloscopi ecc. ), un fascetto di elettroni viene sparato dal catodo verso uno schermo fluorescente. Se non ci sono campi elettrici o magnetici, il fascetto prosegue diritto e colpisce la parte centrale dello schermo, provocando un puntino fluorescente. Avvicina al tubo catodico, perpendicolarmente al fascio, una calamita a barra, prima dalla parte del polo nord, poi da quella del polo sud. Cosa succede? Avvicinando un polo del magnete al tubo catodico il fascio degli elettroni viene vistosamente spostato, ma, a differenza di quello che accade quando al tubo si avvicina una bacchetta elettricamente carica, gli elettroni non sono attratti o respinti dal magnete, ma deviati lateralmente, a seconda del polo che avviciniamo. Esiste quindi una forza magnetica (dovuta al campo magnetico della calamita), ma, ancora una volta, questa forza non è attrattiva o repulsiva, ma è una forza deviante. Una forza deviante cambia la direzione, ma non l'intensità della velocità degli elettroni. Essa è quindi una forza che non compie lavoro: l'energia cinetica delle cariche rimane invariata. Una corrente produce un campo magnetico Un filo percorso da corrente elettrica crea tutto intorno a sé un campo magnetico. Il campo prodotto è più intenso più vicini si è al filo e più forte è la corrente che passa nel filo, questa relazione è nota come legge di Biot e Savart. La direzione del campo magnetico è data dalla regola della mano destra: si impugna il filo, si dispone il pollice lungo il verso della corrente le altre dita danno la direzione del campo magnetico. B = k i / d Dove: B i d è il campo magnetico la corrente elettrica la distanza dal filo e k una costante Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 6 di 12

7 che vale 2*10-7 T*m/A Se si piega un filo per formare una spira, il campo magnetico, nella parte interna si rinforza, perché si sovrappone, mentre nella parte esterna si indebolisci. Se il filo viene avvolto come un'elica, si crea una bobina o solenoide, che può avere nella parte interna un campo magnetico abbastanza forte. Forza elettromagnetica Se vicino ad un campo magnetico c'è un filo percorso da corrente, il filo verrà spinto da una forza in direzione perpendicolare al piano individuato dalla corrente e dal campo magnetico. Vedi figura. La forza elettromagnetica è detta anche forza di Lorenz; questo permette di creare dei motori elettrici. Induzione elettromagnetica Se si sposta un campo magnetico nelle vicinanze di un conduttore si induce in esso una corrente. Nella dinamo della bicicletta una calamita ruota vicino a dei fili elettrici producendo la corrente necessaria per accendere la lampadina. Anche spostando un conduttore in un campo magnetico si ottiene lo stesso effetto. La corrente prodotta dipende da quanto è intenso il campo magnetico della calamita e dalla velocità del movimento. Questo effetto scoperto da Faraday nel 1831 permette di ottenere energia elettrica dall'energia meccanica, da un lavoro. Praticamente tutte le centrali elettriche del mondo si basano su questo principio Le correnti alternate Una corrente continua circola sempre nello stesso senso in un circuito, partendo dal morsetto positivo ed entrando in quello negativo, mentre una corrente alternata cambia di verso periodicamente, perciò nelle correnti alternate non esiste un morsetto sempre positivo ed uno sempre negativo. Le centrali Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 7 di 12

8 elettriche europee producono corrente alternata con una frequenza di 50 Hz, quelle americane a 60 Hz. Sinusoide a frequenza 50Hz VALORI: Picco Picco-Picco Efficace Medio = 300 Volt = 600 Volt = 212,7 Volt = 0 Volt Cosa vuol dire l'aggettivo efficace? Si dice valore efficace della tensione e della corrente di un'onda sinusoidale il valore equivalente che produce su di un resistore di resistenza R gli stessi effetti di riscaldamento della tensione continua. Dato cioè un resistore di valore R, se lo alimentiamo con tensione continua di 12V, oppure lo alimentiamo con tensione alternata avente valore efficace di 12V gli effetti sul riscaldamento del resistore sono equivalenti. Facciamo un esempio. Supponiamo di collegare alla rete elettrica di casa un resistore la cui resistenza sia di 100 ohm; il generatore V1 nello schema in basso rappresenta la rete elettrica di casa che ha una tensione alternata di 230V eff alla frequenza di 50Hz, mentre il resistore da 100 ohm è rappresentato dal simbolo contrassegnato R1. Analizzando la forma d'onda presente sul morsetto "A" Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 8 di 12

9 ai capi del resistore, otteniamo una sinusoide il cui grafico ha in ascissa X il tempo trascorso ed in ordinata Y la tensione. Si noti come la tensione oscilli tra -325V e +325V in un tempo pari a 20ms, il periodo dell'onda sinusoidale a 50Hz. La tensione massima sul resistore (+325V), rappresentata nel grafico dal cursore "c", viene detta tensione di picco (V P ). La tensione efficace (Veff.) è rappresentata nel grafico dalla riga del cursore "d" ed ha un valore di 230V. La correlazione tra tensione efficace e tensione di picco è data dalle seguente relazione: V = V P / 2 V P x 0,707 (circa il 70% della V P) Viceversa, conoscendo il valore della tensione efficace, possiamo dire che la tensione di picco è circa il 41% superiore: V P = 2 V 1,414 V La corrente che scorre nel resistore R1 segue l'andamento della tensione, essendo legata ad essa dalla legge di Ohm: R = V / I ==> I = V / R I = V / R = V P / R 2) I P = V P / R = 2 V / R Anche la potenza viene calcolata in modo simile, distinguendo tra potenza efficace (detta anche apparente) e potenza di picco: P = V I = (V P / 2) (V P / R 2)) = 1/2 (V P ) 2 / R Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 9 di 12

10 P P = V P I P = ( 2 V) ( 2 V / R) = 2 V 2 / R da queste ultime formule scaturisce questo interessante rapporto: P P = 2 P È bene dire che queste formule vanno bene solo nel caso di un carico resistivo come potrebbe essere una lampadina ad incandescenza. Nella normalità si ha a che fare con carichi non puramente resistivi, ma contenenti anche componenti induttive (induttori) e capacitive (condensatori). Pensiamo all'avvolgimento di un motore: esso potrebbe essere approssimato con il parallelo di un resistore, un induttore ed un condensatore. Il resistore poiché il fili dell'avvolgimento possiedono una certa resistenza, l'induttore poiché le spire dei fili creano un campo elettromagnetico ed il condensatore poiché i fili ravvicinati delle spire simulano una capacità. Generalizzando, in un qualsiasi apparato elettrico sono presenti, in misura più o meno marcata, le tre componenti resistiva, induttiva e capacitiva. LA CORRENTE INDOTTA Sappiamo che una corrente elettrica genera un campo magnetico. Al contrario, può un campo magnetico generare una corrente elettrica? Una semplice esperienza mette in luce che questo è possibile. Muoviamo rapidamente una calamita dentro una bobina collegata a una lampadina. Mentre la calamita si muove in su e in giù, la lampadina si accende: nel circuito circola una corrente. Invece, se la calamita è ferma, la lampadina non si accende; quindi nel circuito non c è corrente. La corrente non è creata da una pila o da una batteria, ma dal movimento della calamita. All interno della bobina, il campo magnetico della calamita diventa Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 10 di 12

11 intenso quando la calamita è vicina e ritorna debole quando essa è lontana. Un campo magnetico che varia genera una corrente indotta. INDUZIONE ELETTROMAGNETICA (I campi magnetici creano corrente elettrica) aspetto qualitativo L'esperienza di Oersted, con la quale si dimostrava che le correnti elettriche generano campi magnetici, aveva indotto gli scienziati a chiedersi se fosse vero anche il contrario; cioè se fosse possibile ottenere correnti elettriche mediante un campo magnetico. Faraday nel 1831 scoprì con una serie di esperimenti che " in un circuito elettrico si generano correnti elettriche quando esso è immerso in un campo magnetico che varia nel tempo". Questo fenomeno si chiama induzione elettromagnetica; le correnti che esso genera sono dette correnti indotte. Esperienza. Il solenoide della figura solenoide composto da N spire è collegato ad un amperometro mediante un circuito che non contiene generatori; pertanto in questo circuito non dovrebbe circolare alcuna corrente. Inserendo un magnete nel solenoide l'amperometro segnala un passaggio di corrente che cessa quando il magnete viene fermato. Se il magnete viene estratto dal solenoide, si osserva ancora un passaggio di corrente ma in verso opposto. Il verso della corrente indotta si determina con la legge di Lenz. "La corrente indotta ha il verso tale da produrre un campo magnetico che tende ad opporsi alla variazione del campo magnetico che l'ha generata" Infatti la corrente che viene indotta nel solenoide durante l'introduzione del magnete produce un campo magnetico che tende a respingere il magnete verso l'esterno del solenoide. Al contrario, la corrente che viene indotta mentre si estrae il magnete produce un campo che attrae il magnete verso il solenoide. Gli stessi risultati di questa esperienza si ottengono: 1) Se si tiene fermo il magnete e si muove il solenoide. 2) Se si sostituisce il magnete con un solenoide (detto induttore) in movimento nel quale circola una corrente costante. 3) Se il magnete è sostituito da un solenoide fermo (induttore) nel quale circola una corrente variabile, prodotta, ad esempio, aprendo e chiudendo il circuito oppure alimentando il solenoide con una corrente alternata. 4) Se si fa ruotare il magnete o il solenoide. Si può far variare il campo magnetico all interno del circuito anche in altri modi. Per esempio, mettiamo vicino a questo circuito senza batteria (circuito indotto) un secondo circuito (circuito induttore), nel quale facciamo variare la corrente diminuendo o aumentando la sua resistenza con una resistenza variabile. Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 11 di 12

12 Quando la resistenza è piccola, nel circuito induttore circola una corrente intensa, che genera un forte campo magnetico nella bobina del circuito indotto. Quando la resistenza è grande, il campo magnetico nella bobina del circuito indotto è piccolo. La variazione della corrente nel circuito induttore genera una corrente indotta nel circuito senza batteria, perché il campo magnetico che lo attraversa varia. Invece, se la corrente nel circuito induttore resta uguale, nell altro circuito non circola una corrente indotta, perché il campo magnetico che lo attraversa non varia. Elettrotecnica 2012 Calamite - Magnetismo Pagina 12 di 12