1 Elettromagnetismo. Fig.1.1) Una bussola orienta il suo asse sempre secondo la direzione Nord-Sud dei poli geografici.

Transcript

1 1 Elettromagnetismo Generalità - Il magnetismo ha riguardato, in origine, i fenomeni di attrazione naturale fra particolari minerali ferrosi come la magnetite ed erano già noti a Talete fin dal 600 A.C. Il nome magnetite e magnetico sembra derivi dalla città di Magnesia nell'asia minore, da dove nell'antichità si ricavava il minerale oggi noto come magnetite. Altre fonte danno tuttavia altre origini all'etimologia del nome. Una sistematica trattazione delle forze di tipo magnetico si ebbe solo nel 1600 con l'opera De Magnete di Gilbert. Prima ancora di comprendere la natura delle forze magnetiche, le proprietà dei materiali magnetici sono state ampiamente utilizzate fin dai tempi più remoti. E' noto che un sottile ago di ferro magnetizzato, libero di ruotare su un piano orizzontale, è l'elemento fondamentale della bussola, nota in Occidente fin dal 1200 e probabilmente nota in Cina in epoche precedenti. La proprietà specifica dell'ago della bussola, di orientarsi sempre lungo una direzione che unisce approssimativamente il polo nord ed il polo sud terrestre ha costituito per secoli uno strumento indispensabile per la navigazione e l'orientamento sulla superficie terrestre: fig.1.1). Fig.1.1) Una bussola orienta il suo asse sempre secondo la direzione Nord-Sud dei poli geografici.

2 1.1 - Campi magnetici naturali Generalità - I materiali che presentano proprietà magnetiche sono detti magnetizzati ed essi sono in grado di trasferire, anche se parzialmente, le loro proprietà ad altri materiali a base ferrosa che non la presentavano in origine. Magneti - Poli magnetici - Un materiale che abbia caratteristiche magnetiche viene chiamato magnete. Le proprietà di un magnete sono molto accentuate alle sue due estremità dette polo nord e polo sud. Il nome deriva dall'orientamento delle estremità dell'ago della bussola: il polo nord dell'ago è quello che punta verso il polo nord geografico, il polo sud dell'ago è quello che punta verso il polo sud geografico. I singoli poli di due magneti distinti possono attrarsi o respingersi. Si respingono i poli omologhi (N-N, S-S), si attirano i poli eterologhi (N-S). I due poli di un magnete non sono separabili. Questo vuol dire che non è possibile spezzando il magnete in due parti, ottenere un singolo polo, poiché le due parti danno origine dopo la separazione a due nuovi magneti, ciascuno dei quali presenta nuovamente entrambi i poli: fig.1.1.1). Un magnete, per questo motivo, viene anche definito dipolo magnetico. Fig.1.1.1) Dividendo un dipolo magnetico si ottengono altri dipoli magnetici. I due poli non sono separabili. Legge di Coulomb per i poli magnetici - La inseparabilità dei poli magnetici comporta che quando due magneti sono posti in vicinanza, le interazioni non sono limitate a forze di attrazione o repulsione fra i relativi poli, ma se i magneti non sono allineati sono presenti sempre anche dei momenti meccanici, che tendono a far ruotare i magneti.

3 Una legge semplice relativa all'attrazione o repulsione fra singoli poli di due magneti, si può determinare soltanto se i magneti sono molto lunghi, in modo da considerare trascurabile la forza fra i due poli lontani. Coulomb ha verificato sperimentalmente che fra due poli A e B (appartenenti a magneti diversi) posti alla distanza r, si manifesta una forza F data dalla relazione: F = k p A B 2 r p 1.1.1) dove le grandezze p A e p B indicano le intensità magnetica dei due poli e k è una costante che dipende dal mezzo interposto. La 1.1.1) è formalmente identica alla legge di Coulomb per l'elettrostatica con la profonda differenza che le singole cariche elettriche possono essere isolate, al contrario dei poli magnetici che in qualsiasi magnete sono sempre presenti in coppia. Nel S.I. la costante di proporzionalità k della 1.1.1) viene sostituita da una nuova costante µ legata a k dalla relazione: 1 µ = 4 π k 1.1.2) Questa nuova costante prende il nome di permeabilità magnetica assoluta del mezzo e varia al variare del mezzo interposto. La permeabilità magnetica assoluta del vuoto µ 0 è invece una costante universale. Per i mezzi diversi dal vuoto è utile l'introduzione della permeabilità magnetica relativa rispetto al vuoto, definita come: µ = r µ µ ) In analogia per quanto è stato fatto in elettrostatica, per un magnete di lunghezza d, si definisce un momento di dipolo magnetico M g, chiamato semplicemente momento magnetico, il prodotto: M g = p d 1.1.4) Campo magnetico - Linee di forza magnetiche - Lo spazio in cui si manifestano forze magnetiche è definito campo di forze magnetico o semplicemente campo magnetico. La sua intensità H è data dal rapporto fra la forza F agente e l'intensità magnetica p del polo: H = F p 1.1.5) Una grandezza molto usata per esprimere il campo magnetico è il vettore induzione magnetica B che è legato al campo H dalla relazione:

4 B = µ H 1.1.6) Entrambi i vettori definiscono correttamente un campo magnetico nel vuoto dove µ = µ 0 ed è quindi costante, ma è necessaria la loro distinzione nei mezzi materiali in cui µ non è costante.* Essendo il campo magnetico una grandezza vettoriale, è possibile definire la sua direzione ed il suo verso attraverso le linee di forza del campo: fig.1.1.2). Linee di forza del campo magnetico sono quelle linee che in ogni loro punto hanno per tangente la direzione delle forze agenti su un dipolo magnetico di prova e per verso il verso indicato dal polo nord del dipolo di prova. Fig.1.1.2) a) - Linee di forza del campo magnetico generato da un magnete lineare. b) - Linee di forza del campo magnetico generato da un magnete con i poli affacciati. Nello spazio fra i due poli, lontano dai bordi del magnete, il campo è uniforme. In accordo con quanto detto, un dipolo magnetico immerso in un campo magnetico H, ruota disponendosi con l'asse del dipolo orientato secondo le linee di forza del campo. Questo avviene poiché il campo H, agendo sui due poli, produce un momento meccanico M c dato dalla relazione : M c = M g H 1.1.7) Le linee di forza di un campo magnetico si possono visualizzare con un foglio di carta su cui sia stata uniformemente distribuita della limatura di ferro * Molti testi moderni chiamano il campo magnetico:"b" e definiscono "H" campo di magnetizzazione. Questa ambiguità sta generando negli studenti molta confusione.

5 Fig.1.1.3) Linee di forza del campo magnetico generato da un magnete lineare visualizzate con limatura di ferro. Avvicinando un magnete al piano del foglio, i dipoli magnetici generati per induzione nei singoli granuli della limatura di ferro, si orientano e si aggregano tracciando la direzione delle linee di forza del magnete inducente: fig.1.1.3). Sulla base dei concetti sviluppati, il fenomeno dell'orientamento dell'ago della bussola, porta alla conclusione che all'interno del globo terrestre è presente una sorgente di campo magnetico le cui linee di forza sono responsabili dell'orientamento. Questo campo magnetico, che si pensa generato nel nucleo ferroso della Terra, si comporta come un dipolo con l'asse non completamente coincidente con l'asse di rotazione terrestre per cui i poli magnetici coincidono con i poli geografici solo in prima approssimazione: fig.1.1.4). L'angolo fra l'asse del dipolo magnetico e l'asse di rotazione della Terra è attualmente di 11. Questo valore però è continuamente variabile, con tempi scala delle decine di migliaia di anni e si hanno evidenze sperimentali che circa anni fa, i poli magnetici fossero totalmente invertiti rispetto alla posizione attuale. Fig.1.1.4) Campo magnetico terrestre ed un ago di bussola orientato. Le linee di forza sono tracciate in modo approssimato.

6