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La forza magnetica e le linee del campo magnetico

La magnetite è un magnete naturale, un minerale avente la proprietà di attirare oggetti di ferro. Una barretta di acciaio può essere magnetizzata (divenendo così un magnete artificiale) se messa a contatto con un pezzo di magnetite.
Si chiamano sostanze ferromagnetiche i materiali che possono essere magnetizzati (Ferro, acciaio, nickel, cobalto e le loro leghe)
Un magnete presenta due poli magnetici (punti in cui sono concentratele forze magnetiche); poli magnetici dello stesso tipo si respingono e poli magnetici di tipo diverso si attraggono.
Ogni magnete genera nello spazio che lo circonda un campo magnetico (

[math]B[/math]
)
I poli geografici terrestri sono punti immaginare attraverso i quali passa l'asse terrestre; in prossimità dei quali vi sono anche i poli magnetici terrestri. Nella zona del polo nord magnetico, la Terra presenta un polo sud magnetico (il quale attira i poli nord degli aghi delle bussole).
Per esplorare le proprietà di un campo magnetico utilizziamo un magnete di prova, un piccolo ago magnetico il quale, posto in un punto di un campo magnetico ruota attorno al proprio centro fino a fermarsi in una posizione di equilibrio. La direzione del campo magnetico è data dalla retta che unisce i poli nord e sud del magnete di prova e il verso va dal polo sud al polo nord di questo.
Le linee di forza del campo magnetico sono uscenti dal polo nord ed entranti nel polo sud, sono in ogni punto tangenti alla direzione del campo magnetico e la loro densità è direttamente proporzionale all'intensità del campo magnetico.
-confronto tra campo magnetico e campo elettrico-
Il campo magnetico ed il campo elettrico sono campi di forza, cioè campo che descrivono gli effetti di una forza ed entrambi possono essere descritti da linee di campo. Esistono due tipi di poli magnetici, così come esistono due tipi di carica elettrica, in modo analogo a quanto accade per le cariche elettriche, poli dello stesso tipo si respingono e di tipo diverso si attraggono. Un conduttore scarico può essere elettrizzato da un corpo carico, come una barretta di acciaio può essere magnetizzata da una calamita.
Nell'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 e mentre esistono corpi carichi positivamente o negativamente,una calamita presenta sempre entrambi i poli nord e sud.
Non è possibile suddividere un magnete in modo da ottenere un polo nord isolato o un polo sud isolato.

Cos’è un campo magnetico? : Il c. magnetico è una perturbazione generata da un magnete o da una corrente dal momento in cui esiste, viene generata. È il mediatore della forza magnetica, e , si propaga alla velocità della luce (circa 300000 km/s). Un magnete “A” raggiunge il magnete “B”, ed esso risente di “A”, quando viene raggiunto dal suo campo magnetico.

Come vedere se in un punto “P” dello spazio c’è un campo magnetico? : bisogna utilizzare un ago magnetico: se esso cambia direzione in base a come viene messo , assumendo una direzione e un verso particolare, vuol dire che in un punto P dello spazio c’è un campo magnetico, se invece non si muove vuol dire che in quel puto non c’è un c. magnetico. La direzione che assume l’ago viene scelta come direzione del c. magnetico, il verso va da sud a nord dell’ago (dell’ago).

Forza tra magneti e correnti: (esperimento di Oersted)
Nel 1820 il fisico Oersted scoprì un legame tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici. Dispose un filo elettrico collegato ad una batteria nella direzione nord-sud di un ago magnetico; quando faceva passare la corrente elettrica nel filo l’ago ruotava fino a disporsi perpendicolarmente rispetto al filo. Questo esperimento mise in luce che: un filo percorso da corrente genera un CAMPO MAGNETICO. In un piano perpendicolare al filo percorso da corrente le linee del campo magnetico sono circonferenze concentriche al filo; il verso delle linee di campo si ottiene puntando il pollice nel senso della corrente, e le dita si chiudono nel verso del campo.

L’esperienza di Faraday:
Nel 1821 Faraday scoprì che un filo percorso da corrente in un campo magnetico subisce una forza. Se, per esempio, mettiamo un filo metallico in direzione perpendicolare alle linee di campo e diamo corrente al filo, su di esso agisce una forza perpendicolare al filo stesso e , nello stesso tempo alle linee del campo magnetico.

Il verso della forza magnetica ch è esercitata sul filo (rettilineo,percorso da corrente) è dato dalla regola della mano destra:

Il pollice della mano destra indica il verso della corrente (“i”)

Le dita della mano sono dirette nel senso delle linee di campo (“B”)

Il verso della forza è quello che esce dal palmo della mano

Forze tra correnti: (esperimento di Ampere)
Le esperienze di Oersted e Faraday mostrano una relazione tra corrente elettrica e campo magnetico.
Esiste anche una forza magnetica tra due fili percorsi da corrente elettrica, poiché ognuno di essi genera un campo magnetico e allo stesso tempo subiscono entrambi la forza del campo creato dall’altro. Ampere verificò che due fili rettilinei e paralleli si attraggono se sono attraversati da correnti che vanno nello stesso verso, invece, si respingono se sono attraversati da correnti che vanno in sensi opposti.
Con questo esperimento si ottiene la legge di Ampere: il valore di una forza che agisce su un tratto di filo, lungo “

[math]l[/math]
”, di uno dei due fili è direttamente proporzionale alle due correnti che circolano, e inversamente proporzionale alla distanza “
[math]d[/math]
” tra i due fili. La formula è quindi:

[math]F= k_m\cdot\frac{i_1\cdot i_2}{d}\cdot l[/math]

per semplicità si deve immaginare di compiere tale esperimento nel vuoto, dunque

[math]k_m=\frac{\mu_0}{2\pi}[/math]
dove
[math]\mu_0= 4\pi\cdot 10^{-7}\ N/A^2[/math]
ovvero la permeabilità magnetica del vuoto, e quindi

[math]F=\frac{\mu_0\cdot i_1\cdot i_2\cdot l}{2\pi d}[/math]
/center]

Il valore della permeabilità magnetica nel vuoto non è misurato con un esperimento ma è stato scelto convenzionalmente per definire l’unità di misura dell’intensità della corrente elettrica, cioè l’ampere: una corrente ha intensità di 1A se, circolando in due fili rettilinei e paralleli molto lunghi che distano 1m tra loro, provoca una forza di

[math]2\cdot 10^{-7}\ N[/math]
su ogni tratto di filo lungo 1m.

La definizione del coulomb:
un coulomb è la carica che attraversa, in un secondo, una sezione di filo in cui è presente una corrente di intensità pari a un ampere.

L’intensità del campo magnetico: dopo aver definito la direzione e il verso del campo magnetico rimane da definire il suo valore. Per questo scopo bisogna utilizzare un pezzetto di filo rettilineo. La sua lunghezza è “l” e l’intensità di corrente che o attraversa è “i”. portando il filo di prova nella zona dove c’è il campo magnetico che ci interessa studiare. Il modulo della forza è massimo quando il filo è perfettamente perpendicolare alla direzione del campo magnetico “B”.
Ponendo dunque il filo perpendicolarmente alle linee del campo un dinamometro ci permette di misurare la forza magnetica che agisce sul filo di prova percorso da corrente.
Gli esperimenti dimostrano che la forza raddoppia quando si aumenta o l’intensità di corrente o (“i”) la lunghezza del filo (“l”). Si può definire il modulo del campo magnetico (“B”) con la formula:

[math]B= F/il[/math]
La grandezza B ha un valore che dipende solo dal campo magnetico del punto in cui si trova. Dalla formula si può ricavare l’unità di misura:
[math]B= N/Am[/math]
nel S.I. è chiamato Tesla (T).

La forza magnetica su un filo percorso da corrente: conoscendo il campo magnetico siamo in grado di calcolare la forza che agisce su un pezzo di filo (“l”) percorso da una corrente (“i”); quando il filo è perpendicolare alle linee di campo esso subisce una forza espressa dalla formula F=Bil l'intensità della forza magnetica che il campo applica al filo (F) è direttamente proporzionale all'intensità di corrente (i) e alla lunghezza del filo (l).
Come per l’esperimento di Faraday bisogna utilizzare la regola della mano destra. Se il filo non è perpendicolare al campo magnetico la fora è più piccola; no importa però, il valore del campo magnetico, ma solo ma solo quello della componente B (perpendicolare) al filo. Anche cariche che agiscono nel vuoto risentono dei campi magnetici, in questo caso B viene sostituito con B perpendicolare, componente del campo magnetico perpendicolare alla direzione della forza. Quando B è perpendicolare al filo si ha che B(perpendicolare) =B, e la forza magnetica ha il valore massimo. Se B è inclinato rispetto al filo e B(perpendicolare) è minore di B la forza magnetica ha un valore, se B è parallelo alle linee di campo la forza magnetica che agisce sul filo è nulla.

Spiegazione dell'esperienza di Ampere:
Dati due fili rettilinei e paralleli attraversati rispettivamente da una corrente i(1) e i(2), la corrente i(1) mediante le il campo magnetico B(1) (avente linee di campo circolari e concentriche) attrae la corrente i(2). Facendo considerazioni analoghe o anche basandoci sul principio di azione e reazione di Newton, si trova che i(2) attrae i(1) che F(2,1)=-F(1,2)
Il campo magnetico generato da un filo rettilineo in un punto è direttamente proporzionale alla corrente nel filo e inversamente proporzionale alla distanza tra il punto ed il filo. (legge di Biot e Savart)
Campo magnetico di una spira:
Il campo magnetico generato da una spira circolare può essere calcolato suddividendo la spira stessa in un numero di parti così piccole da poter essere considerate rettilinee e sommando poi vettorialmente i campi magnetici generati da ogniuno di questi tratti. In ogni punto dell'asse di una spira circolare il campo magnetico B (vettore) ha direzione perpendicolare al piano che contiene la spira. Il verso del campo magnetico può essere ottenuto mediante la regola della mano destra. L'intensità al centro della spira ha un'intensità calcolabile mediante la formula

[math]B=(\mu_0\cdot i)/(2R)[/math]

Campo magnetico di un solenoide:
Il campo magnetico di un solenoide infinito è nullo, mentre quello iterno è uniforme e parallelo all'asse del solenoide. Il modulo del campo magnetico all'interno del solenoide è dato dalla formula

[math]B=\mu_0(N i/l)[/math]
(N=numero di spire; i=intensità; l=lunghezza). All'interno del solenoide il campo è particolarmente intenso,all'esterno è debole. Nella zona centrale le linee del campo sono parallele ed equidistanti, per cui il campo magnetico è uniforme e parallelo all'asse del solenoide.

Il motore elettrico:
un motore elettrico è un dispositivo che trasforma energia elettrica in energia meccanica (cinetica, di movimento).
Un motore elettrico è costituito da una spira rettangolare vincolata a ruotare intorno ad un asse perpendicolare alle linee del campo magnetico. Immettendo una corrente continua nella spira, essa subisce delle forze magnetiche che la fanno ruotare su se stessa. La coppia di forze che agisce sulla spira prosegue un moto di rotazione. M=bF (b=braccio) Quando la spira ruota il braccio diminuisce fino a quando le due rette non giacciono sulla stessa retta. Per inerzia, anche raggiunto il piano perpendicolare alla coppia di forze la spira continua a ruotare. In questo momento un commutatore fa invertire il senso della corrente e , facendo cosi proseguire la rotazione della spira. Cambiando il senso della corrente ogni mezzo giro, la coppia di forze magnetiche mantiene la spira in rotazione.
Il commutatore è composto da sue semi anelli saldati alle estremità della spira i quali strisciano su delle spazzole, è questo a far cambiare il senso in cui fluisce la corrente, mantenendo in rotazione la spira.

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