DE MAGNETE. 1. Fino al 1820

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1 DE MAGNETE 1. Fino al 1820 Che i magneti esistano lo sanno anche i sassi fin dai tempi dei greci. In particolare è assodato che: come accade per l elettricità, esistono anche due tipi di magnetismo; ciò che per l elettricità è la carica, nel magnetismo è il polo. ciò che per la carica elettrica è l essere positiva o negativa, per il polo è l essere nord o sud. ogni magnete ha sempre su di sé entrambi i tipi di magnetismo, ed ognuno di essi è concentrato vicino ad una delle due estremità; spezzando un magnete non si separano i suoi poli perché si formano sempre due nuovi poli N e S sulle due nuove estremità. Le interazioni magnetiche, come quelle elettriche, vanno studiate con l ausilio di un campo vettoriale (il campo magnetico): come per il campo elettrico intendiamo con il termine campo un oggetto matematico che rappresenti, tramite un vettore, le proprietà di un punto dello spazio dal punto di vista magnetico. esiste un campo magnetico terrestre che ha delle linee di forza parallele ai meridiani. Il polo nord di un magnete è quello che, all interno del campo magnetico terrestre, indica il nord. Pertanto nei pressi del polo nord geografico c è il polo sud magnetico. La presenza dei due poli contemporaneamente su un magnete rende difficile l elaborazione di un equazione simile a quella di Coulomb o a quella di Newton. Lo stesso magnete viene attirato e respinto da un altro. Questo lascia pensare che il polo magnetico non sia dovuto alla presenza di strane particelle che per qualche motivo si piazzano alle estremità di una barretta. Ma, coi dati che si hanno a questo punto, non si riesce a fare ipotesi su quale sia l origine del magnetismo. Nel 1821, alla vigilia dell esperimento di Oersted, le questioni aperte riguardanti il magnetismo riguardano 1. l origine del magnetismo: cos è che genera il campo magnetico? 2. perché non si riesce a separare i poli magnetici?

2 3. a causa di questo non si può trovare un espressione per la forza magnetica analoga a quella gravitazionale o colombiana. L inseparabilità dei poli fa sì che non si riesca a riproporre esperimenti come quelli di Cavendish con i quali si è arrivati ad una determinazione chiara dell espressioni della forza e delle costanti presenti nell equazione. 3. Effetti magnetici della corrente Esperimento di Oersted Fatti: Con l esperimento di Oersted, che potete agevolmente trovare sul libro, si scopre che la corrente elettrica produce un campo magnetico. L ago di una bussola tende a orientarsi perpendicolarmente al filo percorso dalla corrente, secondo la regola dell OK. Non bastava che non si capiva quale fosse l origine del magnetismo! Ora di origini ce ne sono addirittura due. Questo esperimento non ci aiuta a trovare un espressione per la forza magnetica. In pratica, dal punto di vista della spiegazione dei fenomeni siamo al punto di prima, ma con qualche dato sperimentale nuovo. 4. Effetti magnetici della corrente Esperimento di Ampere Fatti: due fili paralleli percorsi da corrente equiversa si attraggono. Percorsi da corrente con verso opposto si respingono. I dettagli sul libro. Bene! Finalmente il magnetismo ha generato un movimento traslatorio (dei fili). Quindi posso misurare la forza con cui i due fili vengono attratti. Si arriva alla equazione F = Bil (vedi libro) che funziona se campo e corrente sono perpendicolari. In generale: F = i l B (vedi libro). E un espressione un po strana: anzitutto tale forza esiste solo se B e l non sono paralleli e, in secondo luogo, il campo è sempre perpendicolare alla forza, contrariamente a quanto succede nell elettricità e nella gravitazione. Questa espressione ci permette, cosa importantissima, di ricavare un espressione per il Campo magnetico, da molti punti di vista simile a quella del campo elettrico. Per correnti perpendicolari F al campo infatti si può dire che B =, e che quindi l unità di misura di B è N/Am, meglio detta il Tesla. Con questo fatto si riesce ora a calcolare i campi magnetici generati da spire, solenoidi, fili rettilinei tutte cose che si possono agevolmente trovare sul libro.

3 5. La forza di Lorentz. Questione: Possibile che la forza agisca solo se le cariche si muovono dentro un filo? E se una carica elettrica piomba in un campo magnetico che succede? In effetti, il prodotto tra lunghezza del filo e corrente che compare nell espressione della forza magnetica può essere visto come il prodotto tra carica e velocità di una particella: il = q l l = q = q v t t E in effetti, si può dimostrare che la forza agente su una carica in moto in un campo magnetico è data da F = q v B Dimostrazioni dell esistenza di questa forza si possono trovare sul libro nelle fotografie delle camere a bolle, dove si vedono le traiettorie delle particelle cariche che curvano. Note: Non subiscono la forza magnetica le particelle neutre elettricamente e quelle che hanno una velocità che ha la stessa direzione del campo magnetico. La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità (e quindi allo spostamento) della carica. Quindi non produce lavoro. E una forza che si manifesta come forza centripeta, e quindi, nel caso in cui campo e velocità siano perpendicolari si può scrivere: mv² q v qvb = = r m Br Questa espressione è alla base del funzionamento dello spettrometro di massa, con il quale, ad esempio, si è scoperto il fenomeno dell isotopia (Vedi libro) Stabilita quindi l espressione della forza magnetica restano aperte due questioni: 1. qual è l origine del magnetismo? 2. è possibile cavare lavoro dal magnetismo? 6. L origine del magnetismo L ipotesi delle correnti microscopiche (Ampere) Che il magnetismo avesse due origini (poli magnetici e corrente elettrica) non garbava a nessuno: Per questo, non riuscendo a trovare un esperimento che chiarisse definitivamente la questione, era necessario ricorrere ad un ipotesi, formulata da Ampere, che tra l altro sorprende

4 per la sua modernità: si pensi infatti che è stata formulata circa settant anni prima che si sapesse che un atomo era fatto da un nucleo e da elettroni che gli giravano intorno. Ampere afferma che in ogni materiale ci siano tante piccole spire orientate a casaccio. Oggi possiamo dire che queste spire sono le orbite degli elettroni. Quando le orbite sono orientate a muzzo è evidente che non si genera alcun effetto macroscopico, ma se, per qualsiasi motivo, le spire si orientano nello stesso modo si ha necessariamente una corrente di superficie. Il materiale si trasforma in una sorta di solenoide. Con questa ipotesi si cessa di credere che esistano i poli magnetici e si stabilisce che la corrente elettrica è l unica origine del magnetismo. Qui sotto alcuni appunti molto chiari sull argomento. Resta aperta solo la questione energetica. Ma questa è un altra storia

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