Magnetismo

 

 

 

Magnetismo

 

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MAGNETISMO
Secondo la leggenda, il termine magnetismo trae le sue origini dal nome di un pastore greco, Μαγνη, il quale notò che la punta di ferro del suo bastone veniva misteriosamente attirata da una pietra giacente sul bordo della strada.
Esistono in natura dei materiali che esercitano delle forze intensissime su pezzi di ferro o pezzi di materiali contenenti ferro come l’acciaio. Uno di questi minerali è la magnetite che è un minerale del ferro.
Materiali che possiedono questa proprietà si dicono magneti naturali e le forze che essi esercitano si dicono forze magnetiche.
Le forze magnetiche appartengono alla categoria delle forze elettrodeboli.

 

Poli magnetici
Se si taglia un pezzo di magnetite in modo da ottenere una sbarretta a sezione rettangolare o cilindrica, si ottiene un magnete naturale.
Una delle caratteristiche più interessanti dei magneti è che essi posseggono due zone distinte dove le forze magnetiche sono più intense. Queste due zone si chiamano poli.
L’esistenza dei poli fu scoperta da Williams Gilbert verso la fine del XVI secolo. Le sue osservazioni vennero raccolte nel libro dal titolo “De Magnete, magneticisque comporibus et de magno magnete tellure Physiologia nova”.

Supponiamo di avere un magnete che possa ruotare attorno ad un asse. La Terra è come un grosso magnete, quindi esercita delle forze magnetiche sul magnete. Il polo del magnete che si dirige verso il polo Nord terrestre è il polo Nord del magnete, l’altro è il polo Sud. Quindi i poli geografici della Terra sono invertiti rispetto ai suoi poli magnetici. Al polo Nord geografico si ha il polo Sud magnetico e al polo Sud geografico si ha il polo Nord magnetico.

La retta ideale che congiunge i poli geografici non coincide con quella che unisce i poli magnetici. L’angolo formato tra le due rette si chiama declinazione magnetica (d) e alle nostre latitudini vale circa 2° 35’. L’inclinazione magnetica è l’angolo che l’asse di una bussola (magnete naturale) forma con il piano orizzontale allorché l’asse di rotazione della bussola è orizzontale anziché come spesso avviene verticale. In Italia l’inclinazione magnetica vale circa 57°.

 

Interazione tra magneti
Due magneti messi in prossimità uno all’altro interagiscono tra di loro nel seguente modo:
- poli dello stesso nome si respingono (Sud-Sud o Nord-Nord)
- poli di nome opposto si attraggono (Sud-Nord)

Un’altra caratteristica dei magneti è che i poli devono coesistere, cioè sono inseparabili.
Se si rompe un magnete in due pezzi, in ciascuno dei due pezzi si ricompongono i poli.

L’origine del campo magnetico terrestre è da ricercarsi nella parte esterna fluida del nucleo. La parte interna solida è ricca di ferro e nichel, che sono minerali ferromagnetici, ma si trova a una temperatura elevatissima alla quale anche il ferro e il nichel cessano di essere magnetici. Perciò si pensa che il campo magnetico terrestre sia generato da correnti elettriche che circolano nel nucleo liquido. Il campo magnetico terrestre si estende nello spazio in una regione detta magnetosfera. Questa protegge il nostro pianeta dall’azione diretta del vento solare, il flusso di particelle provenienti dal Sole. Le ampie curve delle linee di forze magnetica avvolgono la Terra con fenomeno delle aurore polari, generato dall’interazione fra il campo magnetico e il vento solare.

 

La velocità del vento solare modella il campo magnetico dalla parte opposta rispetto al Sole a formare una coda magnetica lunga 385000 km, simile a quella di una cometa.

 

CAMPO MAGNETICO (EFFETTO MAGNETICO)
Una regione dello spazio sede di forze magnetiche si chiama campo magnetico.

 

Direzione del campo magnetico
La direzione del campo magnetico Hin un certo punto P è quella assunta da un piccolo ago costituito da materiale magnetico posto nel punto P. Il verso è quello che va dal polo sud al polo nord dell’aghetto. Anche per il campo magnetico si possono definire e disegnare linee di forza .

Nella figura precedente sono disegnate alcune linee di forza del campo magnetico generato da un magnete naturale.
La caratteristica delle linee di forza del campo magnetico è che sono linee chiuse.
Nel caso di figura precedente la linea di forza che passa per l’asse del magnete si chiude all’infinito. La regola generale impone di disegnare le linee di forza più fitte ove il campo è
più inteso.

 

CAMPO MAGNETICO PRODOTTO DA UNA CORRENTE ELETTRICA RETTILINEA

Nel 1820, il fisico Christian Oersted, scoprì che nelle vicinanze di un filo percorso da corrente vi è un campo magnetico H. Infatti egli notò che l’ago di una bussola messa vicino ad un filo veniva deviato quando passava corrente. Se il filo è rettilineo, infinitamente esteso, posto nel vuoto, ed è percorso da una corrente continua I, si può determinare in un qualsiasi punto P, l’intensità e la direzione del campo magnetico H. Per ragioni di simmetria, quello che “succede” su un piano p perpendicolare al filo, “succede” in tutti gli altri piani ad esso paralleli. Inoltre quello che “succede” su una semiretta giacente sul piano p e avente origine nel punto di intersezione tra il piano p e il filo “succede” in tutte le altre semirette simili giacenti sul piano p. Dunque un problema che andava studiato nello spazio può essere studiato “lungo” una semiretta perpendicolare al filo.
L’intensità del campo magnetico, indicato con H, in un punto P in prossimità del conduttore, è direttamente proporzionale all’intensità di corrente I ed inversamente proporzionale alla lunghezza della circonferenza di raggio r, ove r è la distanza tra P e il filo percorso dalla corrente I. Il tutto è riassunto dalla seguente legge.

La direzione del campo magnetico H nel punto P è quella di una retta tangente nel punto P alla circonferenza sopradescritta orientata concordemente con il verso in cui deve ruotare una vite “destrorsa” disposta parallelamente al filo affinché si muova nel senso in cui si muove la corrente. La vite “destrorsa” è la vite che si trova comunemente in commercio.

Per definizione di linea di forza, le circonferenze giacenti sul piano p e concentriche con il filo sono anche le linee di forza del campo magnetico H.

Le linee di forza del campo magnetico sono delle circonferenze concentriche con il filo. Il loro orientamento è concorde con il senso di rotazione di una vite destrosa che avanzi come la corrente.

Alcuni valori del campo magnetico:

 

SOLENOIDE

Alla fine del 1820, in Francia, la sorprendente novità scoperta da Oersted fu confermata in modo leggermente diverso da Ampère e da un suo collega, Dominique-François Arago. I due scoprirono che la corrente elettrica, assumendo una forma a spirale, si comportava come un magnete, attirando a se della limatura di ferro; proprio per quel motivo, diedero alla loro scoperta il nome di elettromagnete che noi chiamiamo solenoide.
In ogni punto, interno od esterno al solenoide, il campo magnetico è dato dalla sovrapposizione dei campi magnetici generati da tutte le spire con cui è formato il solenoide. L’esperienza mostra che fuori dal solenoide il campo magnetico diventa sempre meno intenso più ci si allontana da esso, mentre all’interno il campo magnetico è uniforme.
Laplace ha determinato la legge fisica che permette di determinare l’intensità del campo magnetico H all’interno del solenoide.

Se L rappresenta la lunghezza del solenoide misurata in metri, I l’intensità di corrente che fluisce nel solenoide misurata in ampère e N il numero di spire di cui è composto, Laplace ha dimostrato che l’intensità del campo magnetico è direttamente proporzionale alla corrente I e al numero di spire e inversamente proporzionale alla lunghezza L.

La direzione di H, all’interno del solenoide è da sinistra verso destra, se la corrente “entra” nel solenoide a sinistra, altrimenti è da destra verso sinistra (vedi figura). Le linee di forza del campo magnetico assumono una configurazione simile a quella rappresentata nella figura sottostante. Si può notare che sono le stesse linee di forza del campo magnetico generato da un magnete lineare disposto con asse parallelo all’asse del solenoide e con polo Sud a sinistra e Nord a destra.

 

AZIONE DI UN CAMPO MAGNETICO SU UNA CORRENTE (INDUZIONE MAGNETICA)

Siccome le correnti generano campi magnetici, è interessante vedere se i campi magnetici producono effetti sulle correnti elettriche. Mettiamo un conduttore di lunghezza l all’interno del campo H uniforme generato nella zona racchiusa dai poli Nord e Sud di un magnete a “ferro di cavallo” ed immaginiamo che il conduttore non possa muoversi verticalmente ma solo orizzontalmente.
Appena facciamo scorrere una corrente di intensità I con la direzione indicata dal vettore I nel suddetto conduttore, esso si sposta orizzontalmente in modo da allontanarsi dal magnete. Ciò sta ad indicare che sul conduttore è stata generata una forza F.
Si può dimostrare che l’intensità della forza F vale F= BIl dove I è l’intensità di corrente misurata in Ampère e l è la lunghezza del conduttore misurato in metri. B è una costante di proporzionalità che dipende dalle unità di misura adoperate e dal valore di H. B è una grandezza vettoriale che ha la medesima direzione di H.
Il vettore B si chiama induzione magnetica. In pratica la grandezza induzione magnetica tiene conto del campo magnetico e del mezzo (aria, vuoto, ecc…) in cui il campo viene generato. Si può allora esprimere l’induzione magnetica B nel seguente modo:

La costante m (mu) viene chiamata permeabilità magnetica assoluta del mezzo e indica come reagisce un mezzo ad un campo magnetico. Se il mezzo è il vuoto la permeabilità magnetica si indica con m0 e il suo valore è 4p10-7 N/A2.
Il rapporto mr = m /m0 rappresenta la permeabilità magnetica relativa di una certa sostanza. Si ha che: m= mrm0.

 

DIAMAGNETISMO, PARAMAGNETISMO E FERROMAGNETISMO
Le proprietà magnetiche della materia sono la conseguenza dei moti che si hanno a livello atomico e richiedono l’uso della meccanica quantistica. Per rendere più semplice la comprensione del fenomeno si può immaginare una qualsiasi sostanza formata da tantissimi magnetini.
A secondo del loro orientamento spaziale la sostanza presenta maggiori o minori attitudini magnetiche.
Si distinguono le sostanze in:
- diamagnetiche;
- paramagnetiche;
- ferromagnetiche.

 

Nelle sostanze diamagnetiche (mr<1) come il rame, in condizioni normali, i magnetini elementari sono tali da annichilirsi a vicenda. Per effetto di un campo di induzione esterno, i magnetini si orientano tutti in una certa direzione e in modo tale da contrastare l’induzione esterna. In pratica una sostanza diamagnetica in condizioni normali non presenta proprietà magnetiche, mentre se è soggetta ad un campo di induzione B esterno, essa tende a ridurne gli effetti.
Nelle sostanze paramagnetiche (mr>1) come il platino, in condizioni normali, i magnetini elementari sono disposti in modo tale da annullarsi a vicenda. Per effetto di un campo di induzione esterno, i magnetini si orientano tutti in una certa direzione e in modo tale da avere lo stesso verso del campo esterno.
Nelle sostanze ferromagnetiche (mr>>1) come il ferro, vi sono zone estese (domini di Weiss) in cui i magnetini si orientano parallelamente in modo spontaneo. Se un campo di induzione esterno inverte per parecchie volte il verso, il campo interno fa altrettanto ma con un certo ritardo. Alla fine, se si annulla il campo esterno, all’interno rimane un campo residuo che conferisce al materiale il magnetismo permanente.
Le proprietà magnetiche sono influenzate dalla temperatura. In particolare per ogni sostanza esiste una temperatura, temperatura di Curie, alla quale la sostanza si comporta come diamagnetica.

 

AZIONE TRA CORRENTI
Siccome una corrente genera un campo di induzione magnetica B e questo genera una forza su una corrente in esso immersa, è logico aspettarsi che due correnti messe una vicino all’altra interagiscono perché ciascuna si trova immersa nel campo di induzione B dell’altra.

Supponiamo di avere due conduttori paralleli di lunghezza l posti ad una certa distanza d. Immergiamo i conduttori in un contenitore contenente del mercurio in modo da chiudere il circuito elettrico. Colleghiamo poi i conduttori ad un generatore di tensione. Immediatamente si osserva che i conduttori si allontanano. Ciò vuol dire che sui due conduttori è nata una forza. Se i conduttori sono posti nel vuoto l’intensità della forza F vale:
In generale sarà:

Se le correnti I1 e I2 che attraversano i fili sono discordi la forza che nasce è repulsiva. Se le correnti I1 e I2 che attraversano i fili sono concordi la forza è attrattiva.

FORZA DI LORENTZ
Abbiamo visto che un conduttore percorso da corrente immerso in un campo B, è soggetto ad una forza F la cui intensità si ricava dalla seguente equazione:

(1)      

Sappiamo che , per cui la (1) può essere scritta così:
 rappresenta la velocità degli elettroni. Si ottiene:
.

Generalizzando, se una carica q si muove con velocità v all’interno di un campo di induzione B in modo che il vettore v sia perpendicolare al vettore B essa oltre alla forza di gravità sarà soggetta anche alla forza di Lorentz la cui intensità vale:

La direzione della forza di Lorentz su una carica positiva in moto forma con la direzione di B e di v una terna di vettori come in figura:

Per sapere quale sarà la direzione della forza si dispone il pollice della mano sinistra come il vettore B e l’indice come il vettore v . Il medio indicherà la direzione della forza F . Se la carica in moto è negativa la direzione di F è opposta a quella precedente.

La forza F fa deviare la direzione del moto della carica q la quale comincia a descrivere una traiettoria circolare.

La carica acquista una accelerazione centripeta.

, dalla cinematica sappiamo che:

la formula consente di determinare il raggio r della traiettoria che descrive una carica q di massa m quando viene immersa in un campo di direzione magnetica B con velocità v ^ alla direzione di B. Se la carica q viene immersa nel campo B con una velocità non perpendicolare a B, la carica si muoverà di moto elicoidale

 

INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Il 22/9/1791 in una cittadina vicino Londra nasce Michael Faraday
Nel 1805 Faraday decide di diventare apprendista legatore. Un giorno, mentre stava cucendo le pagine della nuova edizione dell’Encyclopedia Britannica, a pag. 127, legge che i filosofi naturali non erano ancora pervenuti ad una spiegazione del fenomeno dell’elettricità. Decide allora di leggere tutti i libri sull’elettricità che gli passavano per le mani. Nel 1810 Faraday entra in un gruppo di discussione e apre un piccolo laboratorio nel quale riproduce gli esperimenti menzionati nei libri che legge.
Nel 1812, riceve in regalo i biglietti per poter seguire un ciclo di conferenze tenute da Humphry Davy. Davy era un illustre chimico nonché direttore della Royal Institution di Londra. Alla fine dello stesso anno, Faraday riceve da Davy l’invito di lavorare a tempo pieno in un laboratorio all’interno della Royal Insitution.
Nel 1824 Faraday diventa membro della Royal Society. Nel 1825 Faraday viene promosso direttore della Royal Institution. Negli anni successivi egli viene a conoscenza che Orsted ha scoperto che una corrente produce un campo magnetico. Si pone subito la domanda: si potrà con un campo magnetico produrre corrente? Nel 1831 fa una storica scoperta che sintetizza in questo modo:

ogni volta che una forza magnetica aumenta o diminuisce, produce elettricità; quanto più veloce è il suo aumento o la sua diminuzione, tanto maggiore è l’elettricità prodotta.

L’apparecchio che usò Faraday per l’esperimento suindicato è quello di figura:

Flusso di induzione magnetica
Consideriamo un campo di induzione magnetica B uniforme. Consideriamo poi una superficie S all’interno del campo. Il contorno della superficie può essere orientato in senso orario o antiorario. La normale n alla superficie è orientata come la direzione di avanzamento di una vite che ruota concordemente all’orientamento del contorno.
Sia B0 la componente del campo B secondo la direzione della normale. B0 è positivo se ha la stessa direzione di n, altrimenti è negativo. Si definisce flusso del campo di induzione magnetica attraverso la superficie S il prodotto B0S. Il flusso di induzione si indica con la lettera fB e si misura in Weber (Wb).

Se il contorno della superficie S è una spira formata da un conduttore, il flusso di induzione si chiama flusso di induzione magnetica concatenato con la spira. Se si hanno N spire collegate ed immerse in un campo di induzione B, il flusso autoconcatenato con esse vale:

Legge di Faraday-Lenz-Newmann
Cerchiamo di riprodurre l’esperimento di Faraday.

Introducendo il magnete nella spira non si fa altro che variare il flusso di induzione magnetica concatenato con la spira. Infatti il flusso di induzione magnetica aumenta in quanto il polo Nord del magnete si avvicina alla spira. Subito nella spira nasce una tensione indotta o forza elettromotrice o f.e.m. che fa circolare una corrente I. Se il magnete viene estratto si nota che la corrente cambia verso. Lenz scoprì che il verso della corrente era tale da produrre un campo magnetico che tendeva ad opporsi alla variazione di flusso di induzione magnetica DfB. Tutte queste esperienze sono condensate nella legge di Faraday-Lenz-Newmann:

ove  è l’intervallo di tempo in cui avviene la variazione di flusso (misurata in s); f.e.m. è la tensione o differenza di potenziale o forza elettromotrice indotta che nasce nella spira e si misurata in V.
Il segno meno (-) sta a ricordare che il verso della corrente indotta è tale da creare un campo di induzione che si oppone a quello esterno generato dal magnete.

 

Fonte: http://www.itisviola.it/pagine/Materie/eltn/magnetismo_IIIBEL.doc

 

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

 

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Il magnetismo
Lo spazio entro il quale un magnete esercita la sua azione prende il nome di campo magnetico. Esso è caratterizzato da linee di forza. Esistono magneti naturali, come la magnetite, e magneti artificiali. Questi corpi sono costituiti almeno in parte da ferro, cobalto o nichel. Essi, con opportuni trattamenti, acquistarono proprietà magnetiche e le mantengono per breve tempo (magneti temporanei) o in modo permanente (magneti permanenti).

 

 

Il campo magnetico

Un campo magnetico è lo spazio circostante un magnete in cui agisce la forza magnetica.
I magneti possiedono due poli: un polo nord e un polo sud.
Se mettiamo uno accanto all'altro per i poli due magneti, questi si respingeranno se i poli sono uguali (nord con nord sud con sud); se, invece, i poli sono opposti i magneti si attireranno.

Appoggiando della limatura di ferro sopra ad un foglio di carta, sotto al quale sono presenti delle calamite, la limatura di ferro rivela le linee di forza dei campi magnetici attorno ai poli opposti e ai poli uguali.

 

MAGNETISMO TERRESTRE

La Terra è un gigantesco magnete, il cui campo magnetico si estende per decine di migliaia km nello spazio.
Il polo nord e il polo sud geografici non corrispondono ai poli magnetici, perché il campo magnetico terrestre è in continuo movimento.
Ancora non si è capito perché la Terra si comporti come un magnete ma si pensa che tale comportamento sia dovuto a correnti elettriche che circolano nel centro della Terra.
Con l’aiuto di una bussola, si può rilevare il campo magnetico terrestre. Infatti, qualsiasi magnete libero di ruotare si trovi nel campo del nostro pianeta si orienta secondo la direzione Nord-Sud dei poli magnetici terrestri.

L'elettromagnetismo
L'elettromagnetismo è il risultato dell'unione tra elettricità e magnetismo.

La teoria elettromagnetica fu elaborata nella sua forma finale da James Clerk Maxwell,
Secondo l'ipotesi di Maxwell, il campo elettrico e il campo magnetico sono legati l'uno all'altro e costituiscono un'unica entità: il campo elettromagnetico.

L'ipotesi di Maxwell consente di prevedere l'esistenza delle onde elettromagnetiche ed è stata confermata sperimentalmente dal fisico tedesco Heinrich Hertz.

 

MAGNETISMO DALL'ELETTRICITA'

Se avvolgiamo del filo di rame intorno a una bussola, colleghiamo le estremità a una pila elettrica e osserviamo il comportamento dell’ago della bussola, si può osservare che, al passaggio della corrente elettrica, l’ago si muove e che, interrompendo il circuito, esso ritorna nella posizione di partenza.
Una corrente elettrica genera quindi un campo magnetico. Questa scoperta è dovuta allo scienziato danese Hans Christian Oersted (1777-1851) e risale al 1820.
Un elettromagnete o elettrocalamita non è altro che un pezzo di materiale ferroso attorno al quale è avvolto un un filo di rame collegato alle due estremità con i poli di una pila.

ELETTRICITA' DAL MAGNETISMO

Anche il magnetismo può produrre elettricità. Se muoviamo avanti e indietro una calamita a barra all’interno di un filo di rame rivestito di plastica e avvolto a spirale (bobina), i cui estremi sono collegati ad un amperometro, si può osservare che durante il movimento del magnete l’amperometro rileva il passaggio di corrente.
Un campo magnetico può quindi produrre un flusso di corrente elettrica; il fenomeno si chiama induzione elettromagnetica. Questa scoperta risale al 1831 e si deve allo scienziato inglese Michael Faraday. Su questa scoperta si basa il funzionamento dei generatori di corrente impiegati nelle centrali elettriche.
Onde elettromagnetiche
Tutti i tipi di onde trasportano energia; le onde elettromagnetiche trasportano l'energia radiante, un tipo particolare di energia.

L'insieme delle onde elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico.
Lo spettro luminoso è una piccola porzione dell'insieme delle frequenze dello spettro elettromagnetico.
Dello spettro elettromagnetico fanno parte: le onde radio, le microonde, i raggi infrarossi, la luce visibile, i raggi ultravioletti, i raggi X e i raggi gamma. Alcuni esempi sono le onde luminose, le onde radio, le microonde e anche i raggi X.
L'energia radiante si può propagare anche nel vuoto, dove la materia è assente.
Le onde elettromagnetiche, comprese le onde luminose, viaggiano attraverso il vuoto alla velocità di 300.000 km al secondo.

Fonte: http://www.giovanni23.org/tecnologia/magnetismo/magnetismo.doc

autore del testo non indicato nel documento di origine del testo

 

 

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