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 l magnetismo l 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 poli 3. 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 magnetico 4 e viceversa. Per saperne di più L'esistenza di un magnetismo naturale era noto già agli antichi greci (V - V 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 XX secolo si sente ancora talvolta parlare di forze magnetiche lasciando sottintendere un significato arcano e misterioso. 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. 4 Lo scostamento è di circa 11. 12
magneti 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. Per saperne di più l 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. n 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. L unità di misura del campo magnetico è l Ampere/metro, indicato con la lettera A/m. Un magnete permanente è formato da un materiale che è stato magnetizzato e crea un proprio campo magnetico. 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 13
avvicinano due poli S. 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. l verso delle linee di forza si assume uscente dal polo N ed entrante nel polo S. 14
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. nfatti solo le cariche elettriche in moto producono un campo magnetico. 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. l 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. 15
Regola della mano destra: pollice in direzione della corrente, campo magnetico H nel verso della chiusura della mano. l valore dell intensità del campo magnetico H percepito ad una distanza r dal filo nel quale scorre una corrente è H = 2 π r = 2 π r H r = 2 π H nsieme di fili rettilinei paralleli l valore dell intensità del campo magnetico H generato da un insieme di N fili lungo l posti in parallelo e percorsi dalla stessa corrente è H = N 2 l l = 2 l H N l = N 2 H N = 2 l H Solenoide rettilineo 16
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. l valore dell intensità del campo magnetico H generato da un solenoide rettilineo formato da N spire, lungo l e percorso da una corrente è H = N l l = N H l = l H N N = l H l 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 l valore dell intensità del campo magnetico H generato da un solenoide toroidale formato da N spire di raggio r percorse da una corrente è H = l = N 2 π r 2 π r H N r = N = N 2 π H 2 π r H 17
nduzione 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. 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. L induzione magnetica si misura in tesla 5, T. Ora resta da capire il rapporto che intensità magnetica H e induzione magnetica B. Le due grandezze sono legate dalla seguente legge B = µ H H = B µ µ = B H dove con µ è indicata la permeabilità magnetica. 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. 18
Essa è indicata come permeabilità magnetica assoluta µ la cui unità di misura sono gli Henry 6 al metro [H/m]. Essa può anche essere indicata come permeabilità relativa permeabilità del vuoto µ 0 secondo al relazione µ r rispetto alla µ r = µ µ 0 µ = µ r µ 0 Ovviamente µ r è un numero puro (adimensionale) e µ 0 = 4 π 10 7. n funzione del valore di µ r le sostanze esistenti in natura si suddividono in diamagnetiche, paramagnetiche, ferromagnetiche. Diamagnetiche hanno µ r < 1 (di poco) Paramagnetiche hanno µ r > 1 (di poco) Ferromagnetiche µ r hanno molto maggiore di 1 (centinaia, migliaia di volte) idrogeno aria ferro acqua ossigeno nichel argento alluminio molibdeno bismuto manganese cobalto L intensità del campo magnetico non dipende dal mezzo. 6 Henry: l nome deriva da Joseph Henry (Albany, 1797 Washington, 1878) che è stato un fisico statunitense. 19