Elettromagnetismo e nuove tecnologie

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

dell'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 a 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 i e i , si esercita una forza pari a:

1 2

dove k è una costante esattamente pari a (dove μ è la costante di permeabilità

0

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

⃗ ⃗ ⃗

=q( +⃗ × )

F E v B

carica , descrivono in pieno tutti i fenomeni elettromagnetici classici

(stazionari e non stazionari). 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 il campo magnetico. Questo significa che i vettori ( , ) che caratterizzano il

campo elettromagnetico hanno ciascuno un valore definito in ciascun punto del tempo e dello

spazio. Se solo , 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: ∆Φ = variazione del flusso del campo magnetico concatenato con il

circuito

∆t = intervallo di tempo in cui avviene la variazione ∆Φ

Questa legge indica così che, alla variazione del flusso del campo magnetico concatenato con il

circuito (∆Φ) nel tempo (∆t) è associato alla formazione di una forza elettromotrice indotta (Ei) 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

elettromagnetica

la legge dell’l'induzione 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 del campi elettrici che generano al loro volta campi magnetici, tra loro ortogonali,

capaci 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 ordinati 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 ed 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

elettromagnetici a frequenze basse, intermedie ed alte?

I campi elettromagnetici variabili nel tempo prodotti dagli apparecchi elettrici sono un esempio di

campi a frequenza estremamente bassa (ELF, extremely low frequency). I campi ELF hanno

generalmente frequenze fino a 300 Hz. Altre tecnologie producono campi a frequenza intermedia

(IF, intermediate frequency), con frequenze tra 300 Hz e 10 MHz e campi a radiofrequenza (RF)