Elettromagnetismo, esperimenti

La proprietà della magnemite di attrarre ferro e altri metalli fu individuata da Gilbert, che vide nella terra, concepita come un grande magnete, la causa dell'orientamento degli aghi magnetici, i piccoli magneti usati nelle bussole.
Un ago magnetico appeso ad un filo si orienta con un'estremità verso il polo nord terrestre e con l'altra verso il polo sud.

Proprietà dei poli magnetici.
Fra il comportamento delle cariche elettriche e quello dei poli magnetici possiamo trovare differenze e analogie.

Differenze:
• È possibile separare le cariche elettriche ma non e possibile separare i poli magnetici di un ago o una calamita.
• Mentre un corpo elettrizzato attrae materiali  diversi, la calamita attrae solo ferro.
Analogie:
• Come le cariche elettriche, poli magnetici diversi si attraggono e poli uguali si respingono. 

Il vettore campo magnetico.
Concetto di campo magnetico vettoriale: la direzione del campo magnetico in un punto, è la retta lungo la quale si  dispone un ago magnetico posizionato in quel punto. Il verso del campo è quello che va dal polo sud al polo nord dell'ago magnetico.

Interazioni tra correnti e magneti.
Secondo molti scienziati dell'epoca, non vi erano legami tra i fenomeni elettrici e magnetici. Un punto di vista opposto era sostenuto da colore che seguivano la filosofia della natura, per cui tutte le forze e tutti i fenomeni sono espressione di un'unica forza vitale universale.

Esperienza di Oersted.

Christian oersted  dimostrò nel 1820 che un filo percorso da corrente provoca la deviazione di un ago magnetico posto nelle vicinanze, generando un campo magnetico.
C. Oersted dispose un filo conduttore collegato ad un generatore e sotto di esso sistemò un ago magnetico parallelo al filo. Quando il circuito veniva chiuso e la corrente attraversava il filo, l'ago oscillava e si disponeva perpendicolarmente al filo stesso.
Se si esegue questo esperimento è possibile notare che le linee del campo magnetico generato dal filo sono le circonferenze concentriche di cui il filo è l'asse. Il verso del vettore campo magnetico si può ottenere con la regola della mano destra: il pollice indica i verso della corrente nelmfilo, lemdita della mano seguono invece il verso delle linee del campo.
Con questo esperimento lo scienziato dimostra due aspetti importanti:
La corrente elettrica può generare un campo magnetico.
La forza non è diretta lungo la congiungente dei due corpi.

L'esperienza di Faraday.

Michael Faraday dimostra che un magnete esercita una forza su un filo percorso da corrente. L'esperienza di Faraday evidenzia la reciprocità delle azioni tra magneti e correnti: cariche elettriche in moto generano un campo magnetico e le cariche, se inserite in un campo magnetico, ne subiscono gli effetti. Attraverso l'esperimento Faraday capisce che la direzione è perpendicolare al piano contenente  il conduttore e il corpo magnetico, mentre il verso si stabilisce con la regola della mano destra.

L'esperienza di Ampère.

Egli studia due fili percorsi da corrente affermando che due fili conduttori, rettilinei e paralleli, si attraggono se la corrente li attraversa nello stesso verso, oppure si respingono se la corrente li percorre in versi opposti. Così il modulo della forza che si esercita su un tratto di lunghezza dei due fili, è direttamente proporzionale alla lunghezza del filo, alle due intensità di corrente, ed è inversamente proporzionale alla distanza dei fili.

Forza di Lorentz.
È la forza che agisce su una carica di una certa velocità dentro un campo magnetico. Se si prende una carica elettrica e la si mette all'interno di un campo magnetico, se la carica è ferma, non succederà niente, altrimenti se la carica è in moto subirà gli effetti di una forza, cioè di Lorentz. Questa forza sarà nulla se l'angolo compreso tra velocità e campo magnetico è uguale a 0, oppure sarà massima se l'angolo sarà uguale a 90°, cioè 1.
La direzione della forza è perpendicolare al piano contenente la velocità è il campo, il verso si stabilisce con la regola  della mano destra, mentre il modulo si trova con la seguente formula:

F=q×vXB (X=prodotto scalare)
q=carica ; v= velocità ; B=campo magnetico

Legge di Biot-Savart.
Grazie alla forza di Lorentz possiamo definire l'intensità del campo magnetico generato da un filo percorso da corrente. Possiamo definire il modulo del campo magnetico come il rapporto tra la forza che agisce su una carica, tra la distanza dal filo e il prodotto delle grandezze q e v.

Questa legge dimostra come il modulo del campo magnetico dipenda esclusivamente dalla sorgente del campo (cioè la corrente che percorre il filo) e dalla distanza della carica dal filo.

La formula per determinare il campo magnetico è B = F/qv e l'unità di misura prende il nome di Tesla.

Campo magnetico di una spira.
Il termine spira indica un filo conduttore chiuso di forma circolare. Se la spira è percorsa da corrente si crea un campo magnetico. L'intensità del campo magnetico al centro della spira è uguale a:

B = πkI/R
k(costante= 2×10^-7) ; I = intensità di corrente ; R = raggio della spira

L'intensità del campo magnetico è direttamente proporzionale alla corrente e inversamente proporzionale al raggio della spira.

Campo magnetico di un solenoide.
Un solenoide è un filo conduttore avvolto ad elica, in definitiva è un insieme di spire che si susseguono. Se la lunghezza del solenoide è maggiore rispetto al suo raggio, il campo magnetico è uniforme, cioè costante in modulo, verso e direzione. La direzione delle linee di forza è parallela al suo asse, mentre il verso si stabilisce con la regola della mano destra. Inoltre il campo magnetico di un solenoide può essere considerato la somma dei campi magnetici di ogni singola spira.

L'intensità del campo magnetico all'interno di un solenoide è uguale a:

B=2×π×k×I×n
k=costante ; I = intensità di corrente ; n = numero delle spire nel solenoide

L'intensità del campo è direttamente proporzionale alla corrente e al numero di spire per unità di lunghezza.