Il campo magnetico terrestre

Liceo ginnasio statale con sezione scientifica

“XXV aprile”

Portogruaro

Approfondimento su:

Il campo magnetico

Terrestre Riccardo Rubert VC sc

a.s. 2007/2008

Introduzione

Il campo magnetico (B) è una perturbazione dello spazio generata da corrente elettrica (cariche in moto) o materiali con magnetizzazioni intrinseche.

Si misura in Tesla. N Weber

1 Tesla = =

Am m 2

Esso può essere rappresentato con il metodo delle linee di forza, un modello matematico usato per visualizzare i campi.

Inoltre, è un campo vettoriale, cioè per essere completamente definito necessita di una direzione (tangente le linee di forza), un verso (esce dal polo positivo e entra in quello negativo) e un modulo (l’intensità data dal numero di linee di forza per unità di volume).

Il campo magnetico può essere generato da:

• Calamita: l'attrazione che una calamita esercita su un pezzo di ferro, oppure su una seconda calamita, dimostra l'esistenza di un campo di forze, cui si dà il nome di campo magnetico.
• Filo conduttore per il quale passa una corrente elettrica I (Ampere/sec).

Il movimento di cariche elettriche in generale è sempre legato alla generazione di un campo magnetico.

Infatti l'ago di una bussola posta in prossimità del filo percorso da corrente devia dalla posizione d'equilibrio.

Le estremità di una calamita presentano i poli, che vengono denominati polo Nord e Sud, rispettivamente.

Si identifica come polo Nord quell'estremità della calamita che, se lasciata libera di ruotare, si rivolge verso il Nord geografico.

Le linee di forza magnetica possono essere osservate dall'orientamento di un ago magnetico: esso si orienta sempre lungo la linea di forza del campo magnetico, detta anche direzione del campo nel punto considerato.

Secondo la convenzione, le linee di forza escono dal polo Nord ed entrano dal polo Sud della calamita.

Il campo magnetico B (T) prodotto da una corrente I (A) passante per un filo rettilineo alla distanza r (m) del filo è: μ Ι

0

2rπ

Le linee di forza formano cerchi concentrici centrati sul filo rettilineo che seguono il verso della mano destra. Vs

μ π

4 10

= 7

− = permeabilità magnetica del vuoto.

0 Am

Introduzione storica

Nel corso della storia dell'Umanità si era già supposta l'esistenza di una forza magnetica che agisse sulla superficie terrestre.

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

Addirittura una prima ipotesi sull'origine del campo magnetico terrestre fu formulata nel 1200 da Pietro Peregrino di Maricourt, il quale, per spiegare l'orientamento verso nord di un ago magnetico, immaginò che al polo vi fossero grandi giacimenti di magnetite.

In seguito, in estremo oriente, venne inventato il primo prototipo di bussola, perfezionata ad Amalfi nella prima metà del XIII secolo.

Nel XVI sec. lo scienziato W. Gilbert cercò di studiare e di analizzare dettagliatamente le proprietà della magnetite. A tale scopo predispose dei piccoli cilindri di magnetite che chiamò "magneti" e nei suoi esperimenti si accorse che la proprietà di attirare la limatura di ferro si concentrava nelle estremità dei magneti, che chiamò poli magnetici e, nella sua opera “De Magnete”, asserì che “l’intera Terra è un grande magnete” il cui campo agisce sull’ago della bussola orientandolo in direzione nord – sud.

Solo successivamente si capì che ciò non era vero in quanto la temperatura all’interno del pianeta non consente a nessuna sostanza di mantenersi magnetizzata.

Quando nell’800, si scoprì che un campo magnetico può essere prodotto da una corrente elettrica, si ipotizzò che il campo magnetico terrestre fosse generato da correnti prodotte nello stesso strato di ferro fuso che avvolge il nucleo solido del pianeta, attraverso un meccanismo di geodinamo.

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.

Interpretazione del campo magnetico

Il campo magnetico terrestre può essere schematizzato come un enorme dipolo magnetico le cui linee di induzione magnetica escono dal Polo N magnetico ed entrano nel Polo S magnetico su un asse detto geomagnetico.

I punti in cui il diametro terrestre coincidente con la direzione del dipolo incontra la superficie sono detti poli geomagnetici: asse geomagnetico è il diametro terrestre anzidetto ed equatore geomagnetico è il cerchio massimo perpendicolare a questo asse e con centro in quello del dipolo.

I Poli magnetici non coincidono con quelli geografici ma formano un angolo, tra gli assi di rotazione e quello magnetico, di 11°30'.

Per effetto del campo magnetico terrestre un ago magnetico libero di muoversi si dispone parallelo alle linee di forza del campo in dato punto della crosta terrestre e sarà verticale ai poli e orizzontale all'equatore (principio base della bussola).

Le linee di induzione magnetica sono orizzontali rispetto alla superficie terrestre solo all’equatore, in tutti gli altri punti la linea di induzione e la superficie terrestre in quel punto formano un angolo detto inclinazione magnetica. Il polo situato nell’emisfero settentrionale, indicato convenzionalmente con B (boreale), ha polarità negativa e si trova a 78°30’ N, 69° W,

mentre l’altro, indicato con A (australe), risulta positivo, con posizione 78°30’ S, 111° E.

Quindi una volta individuato il polo nord magnetico, con la bussola, bisogna correggere il dato per declinazione magnetica,

poter individuare il polo nord geografico, utilizzando la che è l’angolo

che l’ago della bussola forma con il polo nord geografico, in un qualsiasi punto della superficie terrestre; questa ovviamente varia nel tempo e da un luogo all’altro.

È importante ricordare anche che il polo nord magnetico si sposta continuamente intorno al polo nord geografico e, inoltre, oscilla di circa 10 km al giorno per via delle interazioni con lo strato ionizzato dell’atmosfera.

Se in una bussola l’ago magnetico è libero di muoversi sia in orizzontale sia in verticale esso non si dispone su un piano perfettamente orizzontale: nell’emisfero settentrionale la punta che indica il nord tende verso il basso, nell’emisfero meridionale, invece tende verso il basso la punta che si orienta verso il polo sud. L’angolo compreso tra il piano d’inclinazione dell’ago e il piano

inclinazione magnetica

orizzontale è detto ed è dovuto al fatto che l’ago si dispone parallelamente alle linee di forza del campo che sono inclinate diversamente in base alla latitudine del luogo.

Struttura e variazioni del campo magnetico

La composizione del campo magnetico terrestre viene suddivisa dagli scienziati in quattro componenti che sono:

• Campo principale generato nel nucleo fluido tramite il meccanismo di geodinamo.
• Campo crostale dovuto alle rocce magnetizzate della crosta terrestre.
• Campo esterno provocato da correnti elettriche che fluiscono nella ionosfera e nella magnetosfera come conseguenza dell'interazione tra il vento solare e il campo geomagnetico.
• Campo d'induzione elettromagnetica generato da correnti indotte nella crosta e nel mantello dal campo esterno variabile nel tempo.

Gli studiosi ritengono che il campo principale rappresenti il 99% di tutto il campo magnetico osservato in superficie.