Elettricità e magnetismo - il magnetismo

Origine del campo magnetico terrestre

Alle caratteristiche del campo magnetico che abbiamo appena descritto dobbiamo aggiungere le inversioni periodiche della polarità. Nel loro insieme, esse mettono a dura prova le capacità dei geofisici che debbono studiare il problema dell'origine del campo magnetico terrestre, problema che non è ancora risolto in modo soddisfacente.

L'idea che all'interno della Terra vi sia un'enorme barra di materiale magnetizzato capace di generare il campo magnetico è molto suggestiva e permetterebbe di farci un'idea semplice su come potrebbe essere generato il campo magnetico terrestre. Tuttavia quest'ipotesi non può essere vera perché qui esistono temperature superiori a quella oltre la quale i materiali magnetizzati perdono completamente la loro magnetizzazione. Questo valore di temperatura, scoperto dal fisico francese P. Curie (1859-1906) e perciò detto PUNTO DI CURIE, si trova tra

500 e 700° C. Una tale temperatura si raggiunge grosso modo attorno ai 25-30 km, per cui al di sotto di questa profondità non vi può esser nessun materiale magnetizzato permanentemente. Di conseguenza non possiamo l’esistenza di un magnete permanente come causa del campo magnetico terrestre. L’ipotesi su cui oggi si lavora è molto più complessa della precedente e si rifà alla possibilità di generare un campo magnetico per mezzo del movimento di cariche elettriche. Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Oersted (1777 – 1851) dimostrò con un esperimento che un filo percorso da corrente genera un campo magnetico, infatti, avvicinando un ago magnetico al filo percorso da corrente, questo si dispone perpendicolarmente alla linea di corrente-ago. Le linee di forza del campo magnetico generato dal filo sono circonferenze concentriche e il loro verso dipende dal verso della corrente (si può ricordare con la regola della mano destra).

mano destra, o della vitedestrorsa, che avanza con il pollice nel verso della corrente).

Nel 1821, con un altro esperimento Michael Faraday dimostrò che un campo magnetico generato daun magnete genera una forza che agisce sul circuito percorso da corrente.(la direzione della forzapuò essere ricavata con la regola della mano destra).

Una spira presenta, come un magnete, una faccia Nord e una faccia Sud a seconda che l’osservatoreveda circolare la corrente rispettivamente in senso antiorario o orario. Quando, ad esempio, la facciaNord della spira viene avvicinata al polo Nord o al polo Sud del magnete, viene rispettivamenterespinta o attratta. Tornando all’origine del campo magnetico terrestre, quest’ipotesi, rielaborata piùvolte, è stata suggerita inizialmente dai geofisici inglesi W. Elsasser ed E. Bullard ed è nota colnome di ipotesi della DINAMO DI AUTOECCITAZIONE. Il principio del funzionamento delladinamo si basa sul fatto che, se

un ciclo di generazione di corrente e campo magnetico. In questo modo, si spiega l'origine del magnetismo terrestre come un processo di auto-generazione. Per comprendere meglio questo principio, possiamo utilizzare alcuni tag HTML per evidenziare le parti chiave del testo:

Un conduttore di corrente viene mosso in un campo magnetico, si produrrà in esso una corrente elettrica definita come corrente indotta. Vediamo ora come questo principio si può applicare al problema dell'origine del magnetismo terrestre.

Supponiamo che la Terra fosse immersa in un campo magnetico iniziale anche debole, originato per esempio dal Sole, e che la materia del nucleo, che sappiamo essere fatto da materiale conduttore allo stato fuso, fosse in movimento. E' possibile che in queste condizioni nel nucleo si sia generata una corrente indotta. Ma una corrente che si muove in un conduttore genera a sua volta un campo magnetico; quindi, secondo quest'ipotesi, fu proprio la corrente indotta nel nucleo terrestre in movimento la causa della formazione di un nuovo campo magnetico.

Questo nuovo campo magnetico produsse a sua volta altra corrente nel materiale del nucleo e questa un'ulteriore campo magnetico a via di seguito, così da mantenere sempre un ciclo di generazione di corrente e campo magnetico. In questo modo, si spiega l'origine del magnetismo terrestre come un processo di auto-generazione.

attivo il campo magnetico stesso. Molti sono ancora i punti da dover chiarire per poter trasformare quest’ipotesi in una teoria ben provata, tuttavia se ne sa abbastanza per poter pensare che un tale meccanismo possa effettivamente esistere ed essere mantenuto attivo dal movimento del materiale liquido nel nucleo esterno. Il materiale che costituisce il nucleo, in particolare il ferro, è un buon conduttore di elettricità e le temperature del nucleo – che sono comprese, a seconda delle ipotesi, tra i 3.000°C e i 5.500°C - inducono a pensare che i moti convettivi nel nucleo esterno possano realmente esistere. I geofisici hanno eseguito numerose simulazioni della situazione nel nucleo facendo ruotare rapidamente due sfere cave e concentriche, contenenti del liquido tra la sfera interna e quella esterna. La convezione veniva ottenuta riscaldando la sfera interna. Si è visto che in quelle condizioni il liquido tendeva a muoversi seguendo delle traiettorie

elicoidali poste, come colonne, parallelamente all'asse terrestre. In altri termini la forza derivante di Coriolis, dovuta alla rotazione terrestre, trasforma il moto convettivo, che con la Terra ferma avrebbe in senso radiale, in un moto elicoidale posto parallelamente all'asse di rotazione. Sarebbero quindi questi i movimenti di materiale conduttore a generare il campo magnetico, le cui caratteristiche dipenderebbero dalla direzione del movimento e dalla quantità di materiale implicato. Le misure più recenti della distribuzione dell'intensità del campo magnetico dipolare sembrerebbero provare l'esistenza di due, o forse tre, colonne di materiale fuso che con il loro moto generano il campo magnetico. Come previsto dal modello, l'intensità del campo magnetico al di sopra dei poli risulta più debole che altrove. Le variazioni dei moti convettivi all'interno del nucleo sarebbero responsabili delle variazioni secolari del

Campo magnetico che si registrano in superficie. Ben più difficile è trovare un meccanismo plausibile capace di spiegare sia le inversioni di polarità del campo magnetico terrestre, sia la frequenza con cui queste inversioni si sono verificate nel corso della storia della Terra.

ALTRI CAMPI MAGNETICI

1. Campo magnetico generato da una sbarra magnetica: il verso delle linee di forza è diretto dal polo Nord al polo Sud. Le linee di forza sono curve e continuano all'interno e formano delle linee chiuse
2. Campo magnetico generato da un filo rettilineo: le linee di forza sono circonferenze concentriche il cui verso si ricava con la regola della vite destrorsa (che avanza nel senso della corrente).
3. Campo magnetico generato da una spira circolare: il campo magnetico nel centro della spira è diretto perpendicolarmente al suo piano e il verso è quello di avanzamento di una vite destrorsa che ruota nel verso della corrente. Man mano che ci si avvicina alla spira,

le linee di forza tendono ad assumere una forma circolare. In prossimità della spira il campo magnetico è analogo a quello prodotto da un filo rettilineo. 4) Campo magnetico generato da un solenoide: il verso del campo magnetico è analogo a quello di una spira circolare, infatti, il solenoide può essere considerato una serie di spire. All'interno del solenoide le linee di forza sono con buona approssimazione parallele e per questo si può dire che al suo interno ci sia un campo magnetico uniforme. All'esterno (se il diametro è sufficientemente piccolo rispetto alla lunghezza) il campo magnetico può essere considerato nullo. ESPERIMENTO DI AMPERE Ampere prese due fili percorsi da corrente e notò che se la corrente circola nello stesso verso, i due fili si attraggono, se la corrente circola con versi opposti, i due fili si respingono. Ne segue che entrambi generano un campo magnetico e ne sono influenzati. La forza F con cui siattraggono o si respingono due fili percorsi da corrente è:ii *1* 2 l───F= K din cui:l è la lunghezza del filo percorso da corrente su cui agisce la forzai è la corrented è la distanza tra i filiK è una costanteγo= ───K 2∏γ è detta COSTANTE DI PERMEABILITA’ MAGNETICA del vuotoo Nγ = *10 ───-74∏o 2AOra possiamo definire l’Ampere: Un Ampere è la corrente che circola in due fili rettilinei paralleli-7lunghi 1m e distanti 1m sviluppando una forza (attrattiva o repulsiva) pari a 2*10 N.VETTORE CAMPO MAGNETICOL’oggetto di prova qui utilizzato è un filo percorso da corrente perché in questo caso è più comododi un ago magnetico. I fattori liberi del filo che influenzano il campo, cioè che caratterizzano non ilcampo ma l’oggetto di prova, sono: l’intensità di corrente, perché i èdirettamente proporzionale alla forza del campo magnetico, e la lunghezza del filo, perché è direttamente proporzionale al campo magnetico. Posizionando il filo perpendicolarmente alle linee di forza e muovendolo trovo: F = B * i * l In cui B è il fattore che varia da punto a punto ed evidentemente dipende da caratteristiche proprie del campo. B viene chiamato vettore di induzione magnetica ed è il vettore descrivente il campo magnetico. F → B = i * l In questa formula non posso mettere i simboli di vettore a B e a F perché non hanno né lo stesso verso né la stessa direzione. Posizionando, invece, il filo in una posizione qualsiasi: F = i * l * B * sin(α) Se il filo è parallelo alle linee di campo F = 0 (perché sin(α) = 0) Se il filo è perpendicolare alle linee di campo F = B * i * l (perché sin(α) = 1) L'unità di misura di B è A * m^2 / T.

mC——Dato che A= sN N * s N * m * s——— ———— —————= = 2 EA * m C * s C * m ——Noi sappiamo che N * m = L (lavoro) o E (energia) = V (volt)CN * m * s V * s————— ———=2 2C * m mE considerando che V * s = Wb (Weber)V * s Wb——— ———=2 2m mINDUZIONE MAGNETICA. LEGGE DI BIOT-SAVARTI fisici francesi Biot e Savart il 30 ottobre e il 18 dicembre del 1820 comunicarono i risultati delleloro ricerche, iniziate subito dopo la scoperta di Orsted, sul campo magnetico generato da un filorettilineo percorso da corrente. Essi si servirono di un conduttore verticale disposto vicino ad un agomagnetico libero di ruotare intorno a un asse verticale. Inviando nel conduttore corrente elettrica,l’ago magnetico oscillava sotto l’azione delle forze esercitate dal campo magnetico della corrente