L'elettromagnetismo

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

quantisticamente dall'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 e distanza percorsi

l d,

rispettivamente da una corrente di intensità e , si esercita una forza pari a:

i i

1 2 4

permeabilità magnetica).

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

k 0

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 carica

  



( )

F q E v B

= + × , descrivono in pieno tutti i fenomeni elettromagnetici classici (stazionari e non

stazionari).

Cariche elettriche e magnetiche

Tra la forza elettrica e magnetica esiste una forte analogia, infatti entrambe sono sia attrattive che

repulsive e diminuiscono con il quadrato della distanza. Tuttavia, una grande differenza è che mentre

esistono cariche elettriche positive o negative isolate, sia a livello microscopico che a livello

macroscopico, non esistono monopoli magnetici separati (Nord o Sud) ma dipoli (Nord-Sud).

La Terra è un grande magnete

Il nostro pianeta può essere considerato come un grosso magnete. Il campo magnetico della

Terra ha una forma simile a quello di una calamita rettilinea. Le sue linee di campo vanno dal Polo Sud

magnetico al Polo Nord magnetico, che si trovano rispettivamente vicini al Polo Sud geografico e al

Polo Nord geografico. Se immaginiamo la Terra come una grossa calamita, il punto che chiamiamo polo

nord magnetico, a cui si rivolgono i poli nord degli aghi magnetici, è in realtà un polo sud (dal punto di

vista magnetico).

-Il primo scienziato che studiò il campo magnetico terrestre fu W.Gilbert (1544-1603), medico

della regina Elisabetta I, che nella sua opera definì in termini scientifici il vettore che

De magnete

esprime il campo magnetico, in base a una direzione, un’inclinazione e un verso. Egli, nel “De

Terra è un grande magnete”

Magnete”, asserì che “l’intera il cui campo agisce sull’ago della bussola

orientandolo in direzione Nord – Sud.-C.F. Gauss, nel 1839, aveva dimostrato che il campo magnetico

origine interna.

terrestre è di Esso si comporta come se fosse dipolare: come,cioè, se al centro della

Terra vi fosse una calamita lineare (un dipolo). La realtà però è molto più complessa: 5

Innanzi tutto non sembra che esista alcun tipo di dipolo al centro della Terra;

• Le rocce stesse non hanno una magnetizzazione abbastanza forte da spiegare il campo magnetico

• osservato;

Inoltre si sa che le rocce perdono la loro magnetizzazione alle alte temperature (l’interno della Terra

• è estremamente caldo;

Infine, a differenza di un magnete fisso, il campo magnetico terrestre subisce delle variazioni e sia

• secolare”).

la direzione sia l’intensità cambiano nello spazio e nel tempo(“variazione

Dopo la scoperta di Oersted del 1820 (vedi pag. 4) , che intuì la stretta relazione tra corrente

elettrica e campo magnetico,si pensò che il campo magnetico terrestre fosse associato ad un intenso

circuito di corrente posto all’interno della Terra (precisamente sotto l’Equatore). Non si conoscono in

dettaglio i modi con cui tale corrente sarebbe generata: probabilmente l’origine è connessa a moti

ondulatori relativamente rapidi entro un nucleo che dovrebbe essere costituito essenzialmente di ferro e

nichel fusi.

Questo ci porta ad ipotizzare che il campo magnetico terrestre sia continuamente prodotto e

mantenuto da un generatore elettrico dinamico (una sorta di dinamo),che risiede nel nucleo metallico

della Terra. Come funzioni però questa “dinamo” è tuttora oggetto di discussione.

Secondo l’ipotesi più accreditata il campo elettrico terrestre (e di conseguenza quello magnetico)

è prodotto dallo sfregamento degli strati interni della Terra che si ripercuote su quelli più superficiali: in

l’energia meccanica si converte in elettromagnetismo,

questo modo dando luogo a un fenomeno

simile a quello dei generatori d’auto, dove l’energia meccanica viene trasformata in elettricità. 6

E gli altri pianeti del Sistema Solare?

Non solo la Terra possiede un campo magnetico ma anche gli altri pianeti del Sistema Solare

possiedono campi magnetici:

Vi sono pianeti con un campo magnetico di intensità molto inferiore di quello della Terra:

•

Mercurio (l'unico che possiede un campo magnetico dipolare, di intensità pari a circa 1/6 di quella

Venere

terrestre) e (campo magnetico con un’intensità di 1/100 di quello terrestre).

Pianeti con un campo magnetico di intensità circa uguale a quello della Terra: come per

• Saturno.

esempio Pianeti con un campo magnetico di intensità di molto superiore a quello della Terra:

•

Giove(campo magnetico molto intenso, stimato maggiore di circa 14 volte quello terrestre in prossimità

Urano(intensità Nettuno(25

della superficie), maggiore di 50 volte quello terrestre) e volte superiore al

campo magnetico terrestre).

Vi sono infine pianeti in cui il loro campo magnetico è solamente locale (come per esempio

•

Marte). Plutone

Per quanto riguarda non disponiamo ancora di un sufficiente numero di attendibili

•

misure magnetiche per quanto riguarda l’induzione del campo.

In figura: Urano, il pianeta del Sistema Solare con il più forte campo magnetico 7

Campo elettromagnetico

campo elettromagnetico

Il (electromagnetic o è una quantità vettoriale definita in

field EMF)

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.

equazioni di Maxwell.

Il comportamento dei campi elettromagnetici può essere descritto con le

Fig .1 – andamento del campo elettromagnetico.

Sottolineiamo 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. 8

Teoria dell'elettromagnetismo

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 è

fissa 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 all’interno di un circuito conduttore immerso in un campo magnetico, ogni volta che si verifica

una variazione del flusso del campo attraverso il circuito stesso.

legge di Faraday-Neumann-Lenz legge dell'induzione elettromagnetica

La o 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. Dove:

∆Φ = variazione del flusso del campo magnetico concatenato con il circuito

∆t = intervallo di tempo in cui avviene ∆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 (V ) che

i

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” la nascita di una corrente elettrica, detta per questo corrente indotta. 9

alternatore trasformatore(

Questo fenomeno è alla base del funzionamento di e preziosissimi

dinamo.

elementi costitutivi di una centrale elettrica) e della

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

corrente indotta

forza elettromotrice indotta e , di conseguenza , una

alternata.

trasformatore

Il è un dispositivo che trasforma una tensione oscillante

in un’altra tensione oscillante. Esso è costituito 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-Neumann-Lenz, questo

flusso variabile induce nel secondario una tensione sinusoidale.

dinamo

La 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

un conduttore

rotazione da un albero. Per la legge di Faraday per l'induzione

che si muove in un campo magnetico (purché non parallelamente ad esso)

vede nascere una forza elettromotrice indotta (fem); chiudendo quindi la spira

accumulatore) si può misurare una corrente scorrere nella

su un carico elettrico (ad esempio una lampadina, o un

spira stessa e nel carico (la lampadina si accende). 10