Elettromagnetismo e storia

Tesina Maturità 2009

ANDREA CESARI

Liceo Scientifico Leonardo Da Vinci – Maglie (LE)

Classe 5^A PNI Elettromagnetismo nella storia

Sin dal tempo dei Greci oltre 2500 anni fa erano note le proprietà di un particolare minerale di ferro chiamato

magnetite. Successivamente in estremo oriente venne inventata il primo prototipo di bussola, perfezionata ad

Amalfi nella prima metà del XIII secolo. Grazie alla bussola furono possibili le grandi scoperte geografiche del

1400 – 1500. In meno di cinquant’anni grazie a questo strumento l’orizzonte delle conoscenze geografiche si

allargò fino a comprendere tutte le terre emerse con l’eccezione dell’Antartide e dell’Australia.

Nel 1600 il fisico inglese W. Gilbert (1540-1603) nel “De Magnete”, asserì che “l’intera Terra è un grande

magnete” il cui campo agisce sull’ago della bussola orientandolo in direzione nord – sud. L’astronomo E.

Halley (1656-1742), si accorse del mutamento di certe caratteristiche del campo magnetico terrestre che ne

indicavano uno spostamento verso Ovest. Occorre però attendere fino al 1832 per avere una esatta

configurazione del campo magnetico terrestre ad opera di K. F. Gauss (1777-1855) che per primo ne tracciò le

linee di forza e ne iniziò lo studio dal punto di vista fisico - matematico. La presenza del campo magnetico

terrestre è rilevata da molti fenomeni direttamente osservabili; tra questi i più notevoli sono, come detto:

 l’azione orientatrice che subiscono i corpi magnetizzati,

 il magnetismo indotto nei materiali ferromagnetici,

 la cattura da parte della Terra di particelle elettricamente cariche provenienti dallo spazio esterno.

Il campo magnetico terrestre (campo geomagnetico), può essere descritto supponendo di porre al centro del

pianeta una barra magnetica il cui asse formi un angolo di 11° con l’asse di rotazione.

Tale barra genererà un campo magnetico, le cui linee di campo, indicheranno la presenza di una forza

magnetica la cui intensità diminuisce con l’aumentare della distanza dalla terra. Inoltre un ago magnetico

libero di oscillare sotto l’influenza di questa forza, si dispone parallelamente alla linea di campo secondo la

direzione Nord-Sud, mettendo in evidenza uno spostamento dei poli geografici rispetto ai poli magnetici.

Ma il campo geomagnetico può solo essere approssimato a tale sistema. Infatti il campo magnetico di un

corpo simile a una barra magnetica, è un campo dipolare ( presenta due poli verso i quali confluiscono le linee

di campo), mentre il campo geomagnetico è solo prevalentemente dipolare. Inoltre al di sopra di una certa

temperatura, detta di Curie(≈ 500°C), i materiali magnetici perdono il loro magnetismo permanente. ( Le

sostanze perdono le loro caratteristiche ferromagnetiche, poiché si distruggono i domini di WEISS) ed

assumono un normale comportamento paramagnetico. Poiché tali temperature, nella terra, si hanno a circa

20-30 Km di profondità, tale modello risulta insufficiente.

Il modello, ritenuto attualmente più prossimo alla realtà, è quello della dinamo ad auto-eccitazione.

Tale dinamo funziona nel seguente modo: una bobina di filo conduttore viene fatta ruotare all’interno di un

campo magnetico. In tali condizioni, ricordando che il flusso del campo magnetico

  



      , facendo ruotare la bobina, varia di conseguenza l’angolo compreso tra il vettore

B B S B S cos

s

superficie (S) della bobina e il campo magnetico (B). Ciò produrrà una variazione del flusso del campo

magnetico, che secondo la legge sull’autoinduzione di Faraday-Neumann-Lentz, indurrà una corrente elettrica

(f.e.m. autoindotta). Facendo circolare poi, questa corrente, in un circuito, essa potrà essere utilizzata per

mantenere costante il campo magnetico entro cui ruota la bobina. Quindi, si comprende facilmente che una

volta innescato il sistema con una magnete esterno che induca un campo magnetico, il sistema continua a

mantenere attivo tale campo fino a che la bobina continua a ruotare.

Nel caso della terra il materiale conduttore in movimento è costituito dal nucleo esterno in metallo fuso,

<<agitato>> da movimenti convettivi simili a quelli del mantello ma un milione di volte più veloci. L’innesco

del sistema potrebbe essere stato causato in origine dall’attraversamento di un campo magnetico sporadico

forse di origine solare, mentre erano già in atto i moti convettivi.

Grazie alla conoscenza del campo geomagnetico possiamo anche studiare il campo geomagnetico del

passato.(Paleomagnetismo).

Infatti quando la lava si raffredda, al suo interno si formano numerosi cristalli di minerali, alcuni dei quali

(magnetite), sono particolarmente sensibili alla magnetizzazione.

Così questi minerali, se la lava non viene nuovamente fusa, conservano traccia, seppur lieve, del campo

magnetico esistente nel momento della loro formazione.

Grazie a ciò si è potuto scoprire che il campo geomagnetico esiste da almeno 3,5 miliardi di anni. Inoltre

analizzando la direzione della magnetizzazione delle rocce antiche si è scoperto che essa è diversa da quella

attuale, cambiando in base all’età della roccia, mettendo così in evidenza un’apparente migrazione del polo

nord magnetico.

Con un’analisi più approfondita si è però notato che per rocce della stessa età, ma provenienti da continenti

diversi, la direzione era diversa. Così si è pervenuti ad un’altra teoria, e cioè che in realtà fossero i continenti

ad essersi spostati e non il polo nord magnetico.

Un’altra importante scoperta dovuta al paleomagnetismo è quella delle inversioni di polarità del campo

geomagnetico.

Infatti molte rocce di età recente ( quando i continenti avevano raggiunto la posizione attuale), hanno

direzione opposta a quella del campo geomagnetico attuale.

Tale fenomeno si è notato anche in rocce più antiche, notando soprattutto che tali inversioni di polarità sono

state continue. E’ stato possibile quindi costruire una “scala stratigrafica paleo magnetica” dove sono indicati

tutte le inversioni di polarità che si sono susseguite negli ultimi 5 milioni di anni.

La nostra epoca dura da 700 mila anni e potrebbe essere prossima un nuova inversione di polarità. Non si è a

conoscenza di come avvengono tali eventi ma si presuppone che il campo possa scomparire per un certo

periodo di tempo lasciando la terra priva del suo scudo naturale contro alcune radiazioni cosmiche.

Ma l’elettromagnetismo è presente anche nella nostra vita quotidiana. Infatti numerosissimi apparecchi da

noi utilizzati nella quotidianità, funzionano grazie a delle onde elettromagnetiche.

Alcuni di essi, di cui ne illustrerò il funzionamento, sono :RADIO, Forno a micro onde, Televisione, Cellulari.

Prima però bisogna precisare cosa sia l’elettromagnetismo e le onde elettromagnetiche.

L'elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica e le loro

correlazioni (come ad esempio i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche e le correnti elettriche

prodotte dai campi magnetici variabili).

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, riuscendo per esempio a relazionare fenomeni

apparentemente diversi quali l'elettricità, il magnetismo e la luce.

Il primo fisico a scoprire una prima decisiva correlazione tra elettricità e magnetismo fu Hans Christian Orsted,

un fisico danese che eseguendo un esperimento,noto oggi come esperimento di Orsted, 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 cui 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 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

1 2

il cui modulo è:

(dove μ è la costante di permeabilità magnetica).

0

La forza fra i due fili è attrattiva se le correnti scorrono nello stesso verso, repulsiva se scorrono in versi

opposti. Grazie a questo esperimento si è potuti pervenire alla definizione dell'unità di misura ampere senza

ricorrere alla nozione di coulomb.

L‟ infatti si definisce come l‟intensità di quella corrente che, percorrendo nello stesso verso due fili

ampere

rettilinei indefiniti paralleli fra loro alla distanza di 1 m, fa sì che l‟uno attragga 1 metro dell‟altro con una forza

pari a 2*10^-7 N.

Sempre da tale formula si ricavano le unita di µ (costante di permeabilità magnetica nel vuoto) e di che

B

0

2

sono rispettivamente [N/A ] e [N/Am].

L‟elettromagnetismo è sintetizzato nelle celebri 4 equazioni di sono le seguenti e nell‟equazione

Maxwell che

Faraday-Neumann-Lentz.

sopra citata di n

 q

 i

  

i 1

E 

1. s

 0

 

B 0

2. (Non separabilità dei poli magnetici, infatti per ogni linea di campo uscente ve ne è

s

sempre una entrante).    

  



d E

 

 

  d E



C B i

 

0 0

3. dove viene chiamata corrente di spostamento, con la

dt 0

  dt

cui geniale intuizione, Maxwell risolse il noto Paradosso Di Ampere.



 

d B

 

C E

4. dt

Quindi dalla definizione di elettromagnetismo e dalle equazioni di Maxwell, possiamo trarre le seguenti

conclusioni:

 Qualunque circuito in cui circola corrente produce un campo magnetico;

 Il campo magnetico è dipolare ovvero non si possono separare i poli;

 Un campo elettrico variabile genera un campo magnetico;

 Un campo magnetico variabile genera un campo elettrico;

Di fondamentale importanza per comprendere il funzionamento di un antenna e quindi della propagazione

delle onde radio, è il campo magnetico prodotto da un solenoide ( avvolgimento di N spire) e del flusso ad

esso concatenato.

Un solenoide che, come detto è un avvolgimento di N spire, produce un campo magnetico il cui modulo vale:

  

N i

 0 dove l è la lunghezza del solenoide.

B l

Se ora scriviamo l’equazione del flusso che si concatena al solenoide otteniamo:

 

  

 

2 2

N S

N S 

       

0 0

avendo posto . Tale valore prende il nome di

B B S N I L I L

l l

a

induttanza o coefficiente di auto induzione e caratterizza la geometria del circuito.



  

Quindi otteniamo che da cui si può anche scrivere la legge di Faraday-Neumann-Lentz nel

B L I

a dI

 

f .

e

.

m L

seguente modo: a dt

Dopo questa premessa possiamo quindi analizzare come si produce una radiazione elettromagnetica.

Consideriamo un circuito dove sono presenti un condensatore e un solenoide caratterizzato da una certa

induttanza. Tale circuito prende il nome di circuito oscillante. Infatti in tale circuito, una volta caricato il

condensatore, le cariche positive, attratte dalla piastra negativa, inizieranno a migrare verso di essa

producendo una corrente. Questa corrente passando nel solenoide, genera un campo magnetico, che farà si

che si concateni al solenoide un flusso che produce una corrente indotta che andrà in verso opposto alla

corrente che l’ha generata.

Con un semplice dimostrazione si dimostra che la carica del condensatore varia nel tempo, seguendo un moto

armonico e precisamente si ottiene che d’’(q)=-q/(LC), e ricordando che l’accelerazione del moto armonico a=-

1

2

ω x si ottiene la frequenza della variazione di carica pari a .



f 

2 LC

Questo circuito quindi presenta 4 fasi:

1. Condensatore carico;

2. Condensatore scarico;

3. Condensatore carico ma con le cariche sulle piastre invertite;

4. Condensatore scarico e ricomincia il ciclo;

Questa processo avviene come detto prima secondo un moto armonico.