FENOMENI MAGNETICI NATURALI

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1 MAGNETISMO l Il magnetismo è una caratteristica di certi corpi, detti magneti, grazie alla quale essi esercitano una forza a distanza su sostanze come il ferro, attirandole.

2 FENOMENI MAGNETICI NATURALI MAGNETITE Le prime osservazioni dei fenomeni magnetici risalgono all antichità; agli antichi greci era nota la proprietà della magnetite di attirare la limatura di ferro. Attrae la limatura di ferro, senza essere stata strofinata

3 AGHI MAGNETICI E POLI MAGNETICI Il primo studio moderno dei fenomeni magnetici si deve a William Gilbert ( ) che individuò nella terra, concepita come un grande magnete, la causa dell orientamento degli aghi magnetici, piccoli magneti usati nelle bussole Un ago magnetico libero di ruotare intorno ad un asse verticale si orienta con una delle sue estremità in una direzione molto vicina a quella del Polo Nord geografico: questa estremità viene detta polo Nord (N); l altra estremità opposta viene detta polo Sud (S) 3

4 Magneti artificiali: le calamite Chiamiamo magnete, o calamita, o anche ago magnetico, ogni corpo che possiede la proprietà della magnetite Si possono costruire anche magneti artificiali: Alcuni materiali come ferro, cobalto nichel, acciaio, si magnetizzano al contatto con un magnete. Interazione tra magneti Presenza di una FORZA MAGNETICA, così come la F el fra le cariche

5 Le calamite interagiscono tra loro con forze attrattive o repulsive: poli di diverso tipo si attraggono, poli dello stesso tipo si respingono (in analogia con le cariche elettriche) Non è possibile isolare un polo nord o un polo sud: spezzando una calamita si ottengono due calamite, ciascuna con la sua coppia di poli nord e sud. Questo ci fa supporre che non esista il monopolo magnetico. N.B. Riguardo le cariche elettriche, invece, è sempre possibile isolare cariche positive da quelle negative 5

6 Dipoli magnetici e campo magnetico I magneti hanno un comportamento simile ai dipoli elettrici Il dipolo elettrico genera un campo elettrico che esce dalla carica positiva ed entra nella carica negativa Un dipolo magnetico (magnete) genera allo stesso modo un CAMPO MAGNETICO che va dal polo NORD al polo SUD

7 VETTORE CAMPO MAGNETICO Magneti e come vedremo correnti, campi elettrici variabili nel tempo, modificano lo spazio circostante creando un campo di forze di tipo magnetico o meglio un campo magnetico B. Poniamo un magnete di prova in un certo punto dove vogliamo studiare il campo magnetico. Osserviamo che l aghetto magnetico ruota finché non si dispone in una posizione di equilibrio stabile. Definiamo la direzione e il verso del campo magnetico nel punto: La direzione è data dalla retta che unisce i poli nord e sud del magnete di prova Il verso va dal polo sud al polo nord del magnete di prova

8 LINEE DEL CAMPO MAGNETICO Sappiamo che le linee di campo sono tangenti punto per punto al vettore campo magnetico. Per disegnare sperimentalmente le linee di campo possiamo usare dei minuscoli aghetti liberi di ruotare F = il ÙB oppure usare la limatura di ferro. I granelli di ferro immersi nel campo magnetico si magnetizzano e fungono da aghetti magnetici. 8

9 COLLEGAMENTO TRA ELETTRICITA E MAGNETISMO ESPERIENZA DI OERSTED Ago magnetico vicino a filo conduttore I = 0 N I 0 S S Se il filo è percorso da corrente, l ago RUOTA e si dispone perpendicolare Conclusione: Il passaggio di corrente elettrica in un filo genera un campo magnetico N

10 Distribuzione della limatura di ferro attorno ad un filo rettilineo percorso da corrente. La limatura è disposta su un piano perpendicolare al filo. Le linee di campo giacciono su un piano perpendicolare al filo, sono delle circonferenze concentriche aventi per centro il punto in cui il filo buca il piano, il verso dipende dal verso della corrente 10

11 Il verso delle linee di campo può essere rappresentato attraverso la regola della mano destra: si punta il pollice nel verso della corrente, le altre dita si chiudono nel verso del campo N.B. Con l esperimento di Oersted l elettricità e il magnetismo cessarono di essere due rami separati della fisica per diventare un unico dominio di fenomeni elettromagnetici 11

12 ESPERIENZA DI FARADAY Nel 1821 Faraday scoprì che Un filo percorso da corrente, in un campo magnetico, subisce una forza Il verso è dato dalla regola della mano destra. La forza è perpendicolare sia alla corrente che al campo Un magnete esercita una forza su un conduttore (filo) percorso da corrente

13 FORZE TRA CORRENTI Le esperienze di Oersted e di Faraday mostrano una relazione tra correnti elettriche e campo magnetico Una corrente elettrica genera un campo magnetico Un filo percorso da corrente risente della forza di un campo magnetico Dunque tra due fili percorsi da corrente c è una forza, dovuta all effetto dei due campi prodotti dai fili

14 L esperienza di Ampere La verifica sperimentale del fenomeno fu fatta da Ampere

15 FORZE TRA CORRENTI Per due fili molto più lunghi della distanza che li separa vale la Legge di Ampere Il valore della forza che agisce su un tratto di filo lungo l è direttamente proporzionale all intensità delle due correnti nei due fili (i1, i2), ed inversamente proporzionale alla distanza d tra di essi F = k m i 1 i 2 d Nel S.I. si pone la costante l È la permeabilità magnetica nel vuoto

16 L INTENSITA DEL CAMPO MAGNETICO Il valore della forza che agisce sul filo è massima quando il filo è disposto perpendicolarmente al campo magnetico Si osserva che il valore della forza F raddoppia se raddoppia l intensità di corrente, i, oppure se si raddoppia la lunghezza del filo, l; F è direttamente proporzionale a i ed a l Definiamo il campo magnetico B in modo da dipendere solo dalla sorgente di campo i e da l: B = F il

17 UNITA DI MISURA DI B Dalla formula precedente si ottiene l unità di misura di B: Il N A m è detto anche Tesla (T)

18 FORZA MAGNETICA SU UN FILO PERCORSO DA CORRENTE La forza che agisce su un filo di lunghezza l, percorso dalla corrente i, in un campo magnetico B ha intensità: F = Bil, se il filo è perpendicolare alle linee del campo magnetico F = B il,se il filo ha orientamento qualsiasi; B è la componente di B perpendicolare al filo

19 Forza magnetica su un filo percorso da corrente ԦF = iԧl x B

20 ԦF = iԧl x B Ԧl è un vettore che ha: - modulo pari alla lunghezza l del filo - direzione coincidente con quella del filo ( che è la stessa della corrente e della velocità delle cariche) - verso della corrente i (opposto alla velocità degli elettroni) Detto α l angolo tra i vettori Ԧl e B, l intensità della forza è data da: F = Bil sin α

21 CAMPO MAGNETICO GENERATO DA UN FILO PERCORSO DA CORRENTE Legge di Biot-Savart Il valore del campo magnetico, in un punto a distanza d da un filo percorso da corrente i, è dato dalla formula: B è direttamente proporzionale alla corrente i ed inversamente proporzionale alla distanza d

22 SORGENTI DEI CAMPI ELETTRICI: le cariche elettriche SORGENTI DEI CAMPI MAGNETICI: le correnti elettriche IL CAMPO MAGNETICO NON E UN CAMPO CONSERVATIVO Non si può parlare di energia potenziale magnetica

23 CAMPO ELETTRICO INDOTTO E una proprietà dello spazio che si manifesta su un eventuale spira conduttrice (o circuito chiuso) presente nella regione, con una corrente indotta UN CAMPO MAGNETICO VARIABILE GENERA UN CAMPO ELETTRICO INDOTTO E indotto dl = dφ(b) dt Equazione di Maxwell: Legge di Faraday- Neumann-Lenz Il campo indotto non dipende dalla presenza o meno di un circuito; togliendo il circuito non avremo più la corrente ma continuerà ad essere presente il campo elettrico

24 CAMPO MAGNETICO INDOTTO Dalla legge di Faraday-Neumann-Lenz sorge una domanda naturale: è vero anche la situazione simmetrica? Se in una regione di spazio c è un campo elettrico che varia, si crea un campo magnetico? La risposta è affermativa e questa evidenza sperimentale si sviluppa in una teoria grazie a Maxwell TEORIA DELL ELETTROMAGNETISMO

25 In conclusione si osserva sperimentalmente che c è una simmetria: Così come un campo magnetico variabile genera un campo elettrico indotto, anche un campo elettrico variabile genera un campo magnetico indotto. Entrambi i campi indotti sono concatenati ai campi "induttori" Un campo E variabile crea un campo B Un campo B variabile crea un campo E e così via Da Maxwell in poi si potrà parlare di campi elettromagnetici 5

26 CAMPO ELETTROMAGNETICO Maxwell sistemò in una teoria unitaria tutte le leggi dei fenomeni elettrici e magnetici. In questa teoria i due tipi di campi sono due aspetti di una stessa entità: il campo elettromagnetico.

27 - Una carica elettrica accelerata genera un campo elettrico variabile; ma una carica in moto equivale a una corrente, e si genera quindi anche un campo magnetico variabile (poiché il moto della carica è accelerato e la sua velocità è variabile). Si genera così un onda elettromagnetica La perturbazione elettromagnetica si propaga nello spazio da un punto a uno immediatamente vicino a una velocità costante ed è in grado di autosostenersi La velocità con cui si propaga la perturbazione del campo elettromagnetico è la velocità della luce. La luce stessa è un onda elettromagnetica di particolare frequenza

28 ONDA ELETTROMAGNETICA Un onda elettromagnetica è prodotta da oscillazioni di cariche elettriche ed è l effetto di una vibrazione di un campo elettrico e di un campo magnetico che si propagano nello spazio con la stessa velocità. La velocità, c, che coincide con quella della luce, vale: c = 2, m s

29 CONFERMA SPERIMENTALE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE Maxwell ha stabilito la natura elettromagnetica della luce e ha previsto l esistenza di onde elettromagnetiche di lunghezza d onda diverse da quelle della luce visibile. La conferma sperimentale dell esistenza delle onde si ebbe con Hertz che riuscì a produrre e a captare onde elettromagnetiche utilizzando un sistema di antenne

30 ANTENNA A DIPOLO ELETTRICO Heinrich Rudolf Hertz nel 1887 costruì la prima antenna trasmittente e ricevente e confermò sperimentalmente l esistenza delle onde elettromagnetiche previste teoricamente da Maxwell Il movimento delle cariche all interno dell antenna alimentata da un generatore di corrente alternata può essere schematizzato attraverso un dipolo elettrico oscillante.

31 ONDE ELETTROMAGNETICHE La rappresentazione temporale dell onda elettromagnetica generata dall antenna a dipolo elettrico in un certo punto P, a quattro differenti istanti (fissata la posizione dell osservatore). I due campi sono fra loro perpendicolari. (A) All istante iniziale il campo elettrico è massimo ed è diretto verso l alto (B) Ad un istante successivo il campo elettrico diminuisce e si genera un campo magnetico indotto perpendicolare al piano che contiene il campo elettrico. (C) Nei casi (B) (C) (D), i campi si propagano verso destra alla velocità della luce e i loro moduli sono legati istante per istante dalla relazione:

32 ONDE ELETTROMAGNETICHE La rappresentazione spaziale dell onda elettromagnetica a un determinato istante t. L onda si propaga lungo l asse x con una lunghezza d onda ʎ.

33 Le proprietà delle onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali godono delle stesse proprietà delle onde periodiche in generale possono propagarsi sia in un mezzo sia nel vuoto danno origine agli stessi fenomeni della luce riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione

34 SPETTRO ELETTROMAGNETICO c = ln nm violetto nm blu nm verde nm giallo nm arancione nm rosso Esperimento di Hertz

35 Le interazioni della radiazione elettromagnetica con la materia

36 L assorbimento della radiazione elettromagnetica L assorbimento della radiazione elettromagnetica da parte della materia è selettivo L atmosfera terrestre assorbe le radiazioni ad alta frequenza provenienti dal cosmo (raggi X e raggi gamma, che sarebbero letali per le forme di vita sulla terra) e l infrarosso lontano (banda più lontano dal visibile e vicina alle microonde) lascia passare le onde radio, il visibile, una parte di ultravioletto e il vicino infrarosso le onde radio tuttavia, pur attraversando l atmosfera, sono riflesse dalla ionosfera Le onde radio emesse da una stazione di terra restano intrappolate fra la ionosfera e la superficie terrestre grazie a questa caratteristica Guglielmo Marconi riuscì a trasmettere segnali radio da una sponda all altra dell Oceano Atlantico

37 A causa della curvatura terrestre, i punti A e B non sono raggiungibili da un segnale che proceda in linea retta: utilizzando la ionosfera come specchio è invece possibile trasmettere tra i due punti delle onde radio.