Comprendere il magnetismo: dai magneti naturali alla legge di Ampère

Magneti naturali e artificiali

L’unico magnete naturale è la magnetite, fragile minerale di ferro.

Poi vi sono le sostanze ferromagnetiche, materiali che possono essere magnetizzati e diventare magneti artificiali o calamite.

La calamita è un dipolo magnetico; non è possibile suddividere un magnete in modo da ottenere un polo nord isolato o un polo sud isolato.

Poli magnetici dello stesso tipo si respingono, poli magnetici di tipo diverso si attraggono.

Ogni magnete genera nello spazio che lo circonda un campo magnetico.

Qual è il campo magnetico terrestre?

Il più grande magnete da noi conosciuto è la Terra, sia perché il magma si comporta similmente alla magnetite, sia per il moto di rotazione. Le rocce fuse eruttate dai vulcani contengono del ferro al loro interno che, a causa dell’alta temperatura, non si può magnetizzare, ma quando queste stesse si raffreddano la loro componente ferrosa si magnetizza “registrando” il campo magnetico del momento. La capacità magnetica terrestre è data dal magma, che ha una certa potenzialità di arrivare a un certo ordine a causa dell’alta temperatura, nonostante ogni fenomeno naturale tenda al massimo disordine per avere il minino dispendio di energia. Col magnetismo si ricerca ordine nel moto degli elettroni nei loro orbitali.

In vicinanza del Polo Nord geografico terrestre si trova il polo nord magnetico, verso cui si dirigono i poli nord delle bussole. In modo corrispondente, nei pressi del Polo Sud geografico si trova il polo sud magnetico.

Proprietà del campo magnetico

Per esplorare le proprietà di un campo magnetico utilizziamo il magnete di prova. Se si pone il magnete di prova in un punto di un campo magnetico, si osserva che l’ago della bussola ruota attorno al proprio centro fino a fermarsi, dopo qualche oscillazione, in una posizione di equilibrio.

Campo magnetico nel punto:

- modulo = legato alla velocità angolare

- direzione = data dalla retta che unisce i poli nord e sud del magnete di prova

- verso = dal polo sud al polo nord del magnete di prova

Le linee del campo magnetico hanno le seguenti proprietà:

- in ogni punto sono tangenti alla direzione del campo magnetico

- escono dai poli nord dei magneti ed entrano nei poli sud

- la loro densità è direttamente proporzionale all’intensità del campo magnetico

Il campo magnetico è descritto dal vettore B, e la sua unità di misura è Tesla (simbolo T = N / Am). Esso misura la capacità di interagire magneticamente in corrispondenza di un punto.

Confronto tra campi magnetici ed elettrici

Confronto tra campo magnetico e campo elettrico

Proprietà simili:

- entrambi sono campi di forza, cioè campi che descrivono gli effetti di una forza (magnetica o elettrica)

- entrambi possono essere descritti da linee di campo

- esistono due tipi di poli magnetici, come esistono due tipi di carica elettrica

- in modo analogo a quanto accade per le cariche elettriche, poli dello stesso tipo si respingono e poli di tipo diverso si attraggono

- un conduttore scarico può essere elettrizzato da un corpo carico, come una sbarretta di acciaio può essere magnetizzata da una calamita

Differenze:

- quando si ha l’elettrizzazione per contatto, parte della carica elettrica del primo corpo passa al secondo; nella magnetizzazione di un oggetto ferromagnetico non si ha alcun passaggio di poli magnetici

- mentre esistono oggetti carichi positivamente o carichi negativamente, una calamita ha sempre entrambi i poli sud e nord

Corrente elettrica e campo magnetico

Un filo percorso da corrente genera un campo magnetico che è avvertito dall’ago della bussola, il quale si sposta in una nuova posizione di equilibrio.

In un piano perpendicolare al filo percorso dalla corrente le linee del campo magnetico sono circonferenze concentriche al filo.

Il verso convenzionale delle linee di campo si ottiene puntando il pollice nel senso della corrente. Le altre dita si chiudono nel verso del campo.

Un filo percorso da corrente, in un campo magnetico, subisce una forza.

Il verso della forza magnetica che si esercita su un filo rettilineo percorso da corrente è dato dalla regola della mano destra, ponendo:

- il pollice della mano destra nel verso della corrente

- le altre dita ne senso delle linee di campo magnetico

- il verso della forza è quello che esce dal palmo della mano

Dunque una corrente elettrica genera un campo elettrico e subisce una forza magnetica.

Legge di Ampère e forza magnetica

La legge di Ampère dice che il valore della forza che agisce su un tratto, lungo l, di uno dei fili è direttamente proporzionale alle due correnti che circolano; inoltre è inversamente proporzionale alla distanza d tra i fili.

F = μ0 / 2π x i1i2 / d x l

Dove:

- F è la forza (N)

- μ0 è la permeabilità magnetica del vuoto (N / A²)

- i è le due correnti (A)

- d è la distanza (m)

- l è la lunghezza (m)

In un punto a distanza d da un filo rettilineo, molto lungo rispetto a d, in cui circola una corrente i, il valore del campo magnetico è dato dalla formula

B = μ0 / 2π x i / d

Dove:

- B è il campo magnetico (T)

- μ0 è la permeabilità magnetica del vuoto, legata alla caratteristica del materiale dello spazio pertutbato (N / A²)

- i è l’intensità di corrente (A)

- d è la distanza del punto di cui si vuole conoscere la perturbazione rispetto a ciò che la genera (m)