Elettromagnetismo e nuove tecnologie

Se improvvisamente tutte le centrali elettriche si fermassero, la realtà cambierebbe aspetto. Le case e le città diventerebbero buie: i televisori, le radio, i telefoni sarebbero inutilizzabili.

La presenza diffusa dell’energia elettrica, che arriva dappertutto attraverso fili di metallo, è una conseguenza tangibile di come la scienza, attraverso la tecnologia, ha inciso profondamente sulla realtà.

Senza l’opera di Maxwell, che alla fine dell’Ottocento ha sintetizzato in sole quattro equazioni l’ampia varietà dei fenomeni elettrici e magnetici, la vita degli uomini di oggi non sarebbe molto diversa da quella dei popoli antichi, quando l’elettricità si manifestava quasi esclusivamente attraverso i fulmini.

L’elettromagnetismo

L’elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica, tra cui i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche e le correnti elettriche prodotte dai campi magnetici variabili, il cui comportamento classico è descritto dalle equazioni di Maxwell e dall’elettrodinamica quantistica.

Cenni storici

Il primo fisico a scoprire una prima decisiva correlazione tra elettricità e magnetismo fu Hans Christian Ørsted, un fisico danese che, nel 1820, eseguendo un esperimento, peraltro già effettuato diciotto anni prima da Gian Domenico Romagnosi, noto oggi come esperimento di Ørsted, intuì che un filo percorso da corrente elettrica generava attorno a sé un campo magnetico.

In seguito fu il chimico britannico Michael Faraday a condurre una simile esperienza, ribattezzata esperimento di Faraday, con la quale dimostrò che un conduttore percorso da corrente, immerso in un campo magnetico, subisce una forza che egli prontamente misurò, controbilanciandola con dei pesetti.

Spetta tuttavia ad André-Marie Ampère la formulazione in chiave matematica della forza esercitata da un campo magnetico sulla corrente elettrica, tramite l’attenta osservazione di un esperimento, detto esperimento di Ampère: tra due fili di lunghezza l e distanza d, percorsi rispettivamente da una corrente di intensità i₁ e i₂, si esercita una forza pari a:

Dove k è una costante esattamente pari a μ₀, dove μ₀ è la costante di permeabilità magnetica.

Grazie a questo esperimento si è potuti pervenire alla definizione dell’unità di misura Ampère senza ricorrere alla nozione di Coulomb.

Infine Maxwell, tentando di unificare in modo organico i due fenomeni, formulò le omonime equazioni che, insieme alla relazione che esprime la forza del campo elettrico e magnetico su una carica, descrivono in pieno tutti i fenomeni elettromagnetici, stazionari e non stazionari.

F⃗ = q(E⃗ + v⃗ × B⃗)

Campo elettromagnetico

Il campo elettromagnetico (electromagnetic field o EMF) è una quantità vettoriale definita in tutti i punti dello spazio e in ogni istante di tempo. Esso è composto in generale da due campi vettoriali, il campo elettrico e il campo magnetico.

Questo significa che i vettori (E⃗, B⃗) che caratterizzano il campo elettromagnetico hanno ciascuno un valore definito in ciascun punto del tempo e dello spazio. Se solo E⃗, il campo elettrico, ha un valore diverso da zero e costante nel tempo, il campo è definito campo elettrostatico.

I campi elettromagnetici sono presenti ovunque nel nostro ambiente di vita, ma sono invisibili all’occhio umano. Dei campi elettrici sono prodotti dall’accumulo locale di cariche elettriche nell’atmosfera, in occasione di temporali.

Il campo magnetico terrestre fa sì che l’ago di una bussola si orienti lungo la direzione nord-sud ed è utilizzato da uccelli e pesci per la navigazione.

Il comportamento dei campi elettromagnetici può essere descritto con le equazioni di Maxwell.

Fig. 1 – Andamento del campo elettromagnetico.

Sottolineo subito il fatto che la forza magnetica è prodotta dalle cariche elettriche in moto, per cui il magnetismo non è una forza separata dall’elettricità. Forza elettrica e magnetica sono due aspetti apparentemente diversi di una unica forza, la forza elettromagnetica.

La teoria dell’elettromagnetismo permette di dare un’interpretazione generale del magnetismo riconducendolo sempre al moto di cariche elettriche. Ci possono essere due casi: quando una carica statica, rispetto ad un osservatore situato nel campo circostante, egli percepisce solo la presenza di un campo elettrico; quando invece la carica si muove, l’osservatore percepisce anche la presenza di un campo magnetico.

Questi si interpretano con il fatto che il magnetismo è una conseguenza del moto relativo di una carica rispetto all’osservatore, e ciò è una conseguenza di una teoria ancora più generale che è la relatività. La teoria dell’elettromagnetismo costituisce a tutt’oggi forse il migliore esempio di teoria scientifica, per la sua grande precisione, generalità e capacità di previsione.

Induzione elettromagnetica

L’induzione elettromagnetica è un fenomeno fisico che consiste nella comparsa di una corrente elettrica a causa della f.e.m. indotta all’interno di un circuito immerso in un campo magnetico, ogni volta che si verifica una variazione del flusso del campo attraverso il circuito stesso.

La legge di Faraday-Neumann-Lenz o legge dell’induzione elettromagnetica è una legge fisica che quantifica l’induzione elettromagnetica, ovvero l’effetto di produzione di corrente elettrica in un circuito posto in un campo magnetico variabile oppure un circuito in movimento in un campo magnetico costante. Cambia il simbolo V con E.

Dove: ΔΦ = variazione del flusso del campo magnetico concatenato con il circuito.

Δt = intervallo di tempo in cui avviene la variazione ΔΦ.

Questa legge indica così che, alla variazione del flusso del campo magnetico concatenato con il circuito, ΔΦ, nel tempo, Δt, è associata la formazione di una forza elettromotrice indotta, E_i, che provoca passaggio di corrente all’interno del circuito.

Il flusso del campo magnetico rappresenta il numero di linee di forza che attraversano una data superficie nell’unità di tempo; dipende da una parte dall’intensità, dalla direzione e dal verso del campo magnetico, dall’altra dall’estensione della superficie e dalla sua orientazione nello spazio.

Aumentando o riducendo l’intensità del campo, spostando i magneti che lo producono, o variando l’orientazione nello spazio del circuito conduttore, si producono variazioni del flusso attraverso la superficie racchiusa dal circuito che “inducono” una f.e.m. e quindi una corrente elettrica, detta per questo corrente indotta.

Questo fenomeno è alla base del funzionamento di alternatore e trasformatore, preziosissimi elementi costitutivi di una centrale elettrica, e non solo, e della dinamo.

Principio di funzionamento delle macchine elettromagnetiche

Nella sua forma più semplice, l’alternatore è costituito da una spira che è fatta ruotare in un campo magnetico uniforme.

Mentre la spira ruota, varia il flusso del campo magnetico concatenato con il circuito, generando una forza elettromotrice indotta e, di conseguenza, una corrente indotta alternata.

Il trasformatore è un dispositivo che trasforma una tensione oscillante in un’altra tensione oscillante. Esso è costituito, monofase, da un nucleo di ferro intorno al quale sono avvolte due bobine che fanno parte di due circuiti indipendenti: il circuito primario e secondario.

Quando sul primario viene applicata una tensione elettrica alternata sinusoidale, per effetto dell’induzione magnetica, si crea nel nucleo un flusso magnetico con andamento sinusoidale. Per la legge di Faraday-Lenz, questo flusso variabile induce nel secondario una tensione sinusoidale.

La dinamo nella sua forma più semplice consiste di una spira conduttrice, rotore, immersa in un campo magnetico, generato ad esempio da una coppia di magneti permanenti, i quali formano lo statore, e messa in rotazione da un albero.

Per la legge dell’induzione elettromagnetica un conduttore che si muove in un campo magnetico, purché non parallelamente ad esso, vede nascere una forza elettromotrice indotta, fem; chiudendo quindi la spira su un carico elettrico, ad esempio una lampadina o un accumulatore, si può misurare una corrente scorrere nella spira stessa e nel carico, la lampadina si accende.

Le interpretazioni di Maxwell

Dopo molti anni di ricerche e sperimentazioni del campo elettrico e del campo magnetico, fu un fisico britannico di nome James Clerk Maxwell, vedi pagine precedenti, che riuscì a formulare, nel 1864, una teoria simmetrica e completa dell’elettromagnetismo capace di interpretare moltissime esperienze: egli con poche leggi e principi riuscì a descrivere le relazioni che intercorrono tra il campo elettrico e quello magnetico.

Egli unificò i lavori sull’elettricità e sul magnetismo riassunti in quattro equazioni differenziali:

• Legge di Gauss sull’elettricità;
• Legge di Gauss sul magnetismo;
• Legge dell’induzione di Faraday;
• Legge di Ampère.

Queste equazioni, note come equazioni di Maxwell, furono presentate alla Royal Society nel 1864, e insieme descrivono il campo elettrico e quello magnetico, e le loro interazioni con la materia.

Esse sono il punto più alto raggiunto dalla fisica classica.

Le equazioni di Maxwell non riassumono solo le proprietà dei campi elettrici e magnetici in una forma compatta; tali equazioni portano anche a fenomeni completamente nuovi.

Il risultato più importante della teoria di Maxwell, probabilmente, è la predizione dell’esistenza di onde elettromagnetiche e del fatto che la luce poteva essere intesa come un’onda elettromagnetica.

Attraverso questa teoria un’onda elettromagnetica, come la luce, può essere interpretata come le oscillazioni dei campi elettrici che generano a loro volta campi magnetici, tra loro ortogonali, capaci di trasportare energia attraverso lo spazio vuoto, quindi non necessariamente attraverso un mezzo.

Maxwell poteva, grazie ai dati disponibili all’epoca, misurare sperimentalmente la velocità di queste onde, giungendo al risultato che esse viaggiavano a circa 310.740.000 m/s.

Maxwell nel 1865 scriveva:

«Questa velocità è così vicina a quella della luce che ho ragione di supporre che la luce stessa sia un’onda elettromagnetica».

Maxwell era nel giusto e la scoperta delle altre onde elettromagnetiche fu uno dei trionfi assoluti della fisica classica-teorica.

Lo spettro elettromagnetico

La parola spettro deriva dalla parola latina species che significa forma o aspetto. Newton introdusse il termine per descrivere l’immagine simile ad un arcobaleno che si ottiene quando un raggio di luce solare attraversa un prisma di vetro.

Oggi si parla di spettro elettromagnetico per indicare l’insieme delle radiazioni, classificate a seconda della frequenza o della loro lunghezza d’onda, ordinate dalla più piccola alla più grande.

Poiché la lunghezza d’onda e la frequenza di una radiazione sono inversamente proporzionali, tanto minore sarà la lunghezza d’onda, tanto maggiore sarà la frequenza e quindi l’energia.

Con la vista riusciamo a percepire lunghezze d’onda comprese tra i 380 e i 760 nanometri, nm, a cui diamo il nome di luce visibile.

• La lunghezza d’onda di un’onda periodica è la distanza tra due creste o fra due ventri della sua forma d’onda, e viene comunemente indicata dalla lettera greca λ.

La lunghezza d’onda è la distanza tra due massimi o due minimi di una funzione periodica, in questo caso una sinusoide.

• La frequenza è una grandezza elettrica periodica nel tempo. La sua grandezza viene data misurando il numero di cicli ripetuti nell’unità di tempo.

Lunghezze d’onda minori corrispondono ai raggi ultravioletti, ai raggi X e ai raggi gamma che hanno tutti quindi frequenza superiore alla luce visibile e perciò maggiore energia.

Le radiazioni infrarosse, le onde radio e le microonde hanno invece lunghezze d’onda maggiori della luce e trasportano energia inferiore.

Come l’orecchio ha dei limiti nella percezione del suono, l’occhio umano ha dei limiti nella visione della luce. In entrambi i casi, vi sono limiti superiori e inferiori.

L’occhio non può vedere la radiazione elettromagnetica oltre la zona violetta dello spettro e al di sotto della zona rossa. Lo spettro elettromagnetico si compone delle zone al di sopra e al di sotto di questi limiti, incluso il campo visibile.

Quali sono le principali sorgenti di campi