Elettromagnete, elettromagnetismo

L'elettromagnete

Nell’antica Grecia, già ai tempi di Talete (VI secolo a.C.) era noto che un minerale di ferro, la magnetite, ha la proprietà di attirare oggetti di ferro. La magnetite è un magnete naturale.
In condizioni normali una sbarretta di acciaio non attira le puntine di ferro. Ma se la mettiamo a contatto con un pezzo di magnetite, acquista questa proprietà. La sbarretta di ferro si è così magnetizzata ed è divenuta un magnete artificiale o calamita.
Si chiamano sostanze ferromagnetiche i materiali che possono essere magnetizzati.

Forze tra magneti e correnti

Nel 1820 il fisico e chimico danese H. C. Øersted scoprì un legame tra fenomeni elettrici e magnetici. Egli dispose un filo elettrico, collegato a una batteria, nella direzione nord-sud, sopra un ago magnetico. Quando faceva passare la corrente nel filo, l’ago ruotava e tendeva a disporsi perpendicolarmente al filo. L’esperienza di Øersted mette in luce che
Un filo percorso da corrente genera un campo magnetico.
Il campo magnetico generato dal filo è avvertito dall’ago della bussola, che si sposta in una nuova posizione di equilibrio.
Nel 1821, invece, il fisico inglese Michael Faraday scoprì che
Un filo percorso da corrente, in un campo magnetico, subisce una forza.
Per produrre o sentire l’effetto di un campo magnetico è necessario che vi siano delle cariche in movimento. Ampere fece l’ipotesi che nei magneti vi fossero delle correnti elettriche microscopiche, capaci di causare le loro proprietà magnetiche. Oggi sappiamo che all’interno degli atomi ci sono davvero delle correnti “elementari”, dovute al moto degli elettroni (cariche negative). Ogni atomo, quindi, si può comportare come un magnete microscopico, che genera un proprio campo magnetico. Nelle sostanze ferromagnetiche questi campi magnetici atomici sono particolarmente intensi.
In condizioni normali, in un pezzo di ferro i singoli atomi sono orientati a caso e il campo B totale che generano è nullo (B = 0). In presenza di un campo magnetico esterno, gli atomi si orientano, in modo che il campo totale B sia diverso da zero. Così il pezzo di ferro diventa una calamita (B ≠ 0).

L'elettromagnete

Avvolgendo una bobina attorno a un nucleo di ferro dolce, si ottiene un elettromagnete.
Un elettromagnete si comporta come una calamita che entra in azione a comando, manovrata da un interruttore.
Quando l’interruttore è aperto, non circola corrente. Allora la bobina non genera alcun campo magnetico e anche il nucleo di ferro non è magnetizzato. Chiudendo l’interruttore, la bobina genera un campo magnetico che fa orientare gli atomi e magnetizza così il nucleo di ferro. Quando si toglie corrente alla bobina, anche il nucleo di ferro si smagnetizza. In questo modo l’elettromagnete si “spegne”. Il campo magnetico all’esterno dell’elettromagnete è maggiore di quello che ci sarebbe con una sola bobina in quanto è la somma del campo magnetico della bobina più quello dovuto al nucleo di ferro.
Tenendo presenti queste caratteristiche dell’elettromagnete, lo si può costruire con l’ausilio di:
• Una pila (da 1,5 V o 4,5 V);
• Un bullone non troppo piccolo;
• Una bobina di filo elettrico.
La costruzione dell’elettromagnete avviene seguendo queste fasi:
• Avvolgere la bobina di filo elettrico attorno al bullone. Nel farlo bisogna tener conto di una regola. Bisogna sempre seguire lo stesso verso, in senso antiorario o in senso orario. Se si comincia nel verso orario e poi si cambia il verso, il campo magnetico prodotto dalle spire avvolte per prima si annulla;
• Dopo aver fatto vari strati di spire, esse possono essere fermate tramite il nastro isolante;
• Infine, collegare l’elettromagnete ad una fonte di alimentazione da 1,5 V o 4,5 V.
Dando corrente alla bobina, viene magnetizzato il nucleo ferromagnetico. Ciò quindi fa acquistare al bullone la capacità di attirare oggetti metallici, una capacità che prima non aveva. Se non si fa passare corrente o si rompe il collegamento del filo con uno solo dei poli della pila, il bullone perde la capacità che aveva ottenuto in precedenza.
La forza magnetica sprigionata dall’elettromagnete aumenta con l’aumentare del numero di spire o con l’aumentare della corrente che le percorre e diminuisce con l’aumentare della lunghezza dell’elettromagnete stesso. Inoltre, l’attraversamento di corrente genera calore prodotto per effetto Joule.
Un parametro importante di cui bisogna tener conto è la sezione del filo utilizzata per fare la bobina. Infatti se si vogliono fare poche spire, bisognerebbe utilizzare del filo molto più fino in modo da comportare una buona resistenza elettrica e quindi un basso scorrimento di corrente, onde evitare un surriscaldamento della bobina.
Curiosità:
• Il primo elettromagnete fu costruito nel 1824 dall'ingegnere britannico William Sturgeon (1783 - 1850), come diretta conseguenza delle relazioni tra correnti e magnetismo scoperte pubblicate da Hans Christian Øersted del 1820. Un ruolo fondamentale nello studio e nello sviluppo di questo dispositivo elettrico si deve al fisico statunitense Joseph Henry .

Gli elettromagneti di uso comune possono generare campi magnetici centinaia di volte più intensi di quello dovuto alla sola bobina.
Applicazioni:
• Le testine dei registratori audio o video contengono dei piccoli elettro-magneti che creano sul nastro una copia “magnetica” del suono o dell’immagine da riprodurre;
• Molti macchinari di uso industriale, come le gru che sollevano le automobili nelle autodemolizioni, contengono potenti elettromagneti;
• Nella fisica delle particelle, potentissimi elettromagneti sono impiegati per guidare il moto di fasci di particelle che sono utilizzati negli esperimenti.

I magneti permanenti

Esistono anche materiali, come l’acciaio e il cobalto, con i quali non è possibile costruire un elettromagnete. Ciò è dovuto al fatto che, una volta magnetizzate, queste sostanze non tornano nella condizione normale quando si toglie corrente alla bobina che li avvolge e, quindi, non si possono “spegnere” a comando.
• Le tessere magnetiche, come carte di credito e schede telefoniche, sono rivestite di materiali di questo tipo, che conservano l’informazione registrata.
• Anche i floppy disk e i dischi rigidi dei computer contengono strati di questi materiali, allo scopo di memorizzare i dati.