IL MAGNETISMO RUSSO MARCO 5 a E

Già Talete di Mileto conosceva le proprietà della magnetite, i cui pezzi di questo minerale furono trovati a Magnesia, e perciò chiamati magneti. Avvicinando un pezzo di magnetite a una barra di acciaio si ottiene un magnete artificiale, o calamita. Le 2 estremità del magnete sono chiamate polo Nord e polo Sud. La differenza fra i poli magnetici e le cariche elettriche è che le cariche di un segno si possono separare da quelle di segno opposto, ma altrettanto non si può fare con i poli poiché tagliando in 2 un magnete si ottengono sempre due magneti. Le calamite interagiscono tra loro con forze attrattive o repulsive. Poli magnetici di nome diverso si attraggono, come fanno le cariche elettriche di segno opposto, mentre poli dello stesso segno si respingono, così come le cariche elettriche dello stesso segno.

La forza magnetica è definita come l’azione che il campo generato da un magnete esercita su un altro magnete. Se un ago magnetico è soggetto a un’azione meccanica, possiamo dire che è presente un campo magnetico. Essendo caratterizzato da una direzione e da un verso, il campo magnetico è un campo vettoriale (B) chiamato campo magnetico. Può essere rappresentato attraverso linee di campo. In particolare, le linee escono dal magnete per il polo Nord e vi rientrano per il Polo Sud. Fra le estremità di un magnete ripiegato, le linee di campo, orientate dal Polo Nord al Polo Sud, sono equidistanti e parallele fra loro. Quindi il campo magnetico è uniforme.

Una corrente elettrica che scorre lungo un filo rettilineo fa ruotare un ago magnetico posto nelle vicinanze. Se la distanza dell’ago dal filo conduttore è piccola in confronto alla lunghezza di quest’ultimo, l’ago si orienta, su un piano perpendicolare al filo, lungo la tangente a una circonferenza con centro sul filo stesso. Ciò vuol dire che la corrente che scorre in un filo è una sorgente di campo magnetico e che le linee di campo sono circonferenze concentriche intorno al filo. La Terra può essere visto come un magnete, i cui poli Nord e Sud sono, rispettivamente, in prossimità dei poli Sud e Nord geografici. L’origine del campo magnetico terrestre è probabilmente dovuto al moto, rispetto alla crosta terrestre, di materiali fusi che trasportano un’elevata quantità di carica elettrica.

Successivamente Ampère dimostrò che due fili paralleli percorsi da corrente esercitano una forza l’uno sull’altro: si attraggono o si respingono a seconda che le correnti scorrano nello stesso verso o in versi opposti. Dimostrò anche che l’intensità della forza con cui essi interagiscono dipende dalla loro distanza e dalle intensità delle correnti. Per la legge di Ampère, si ha: E’ possibile misurare la forza che un magnete esercita su un tratto di filo rettilineo percorso da corrente attraverso un dinamometro. La forza è perpendicolare sia al filo sia al campo magnetico, e si inverte se la corrente cambia verso. Facendo variare l’intensità di corrente che scorre nel filo, si trova che l’intensità della forza è direttamente proporzionale all’intensità di corrente e alla lunghezza del filo: in particolare, la sua intensità è massima quando il filo è perpendicolare alle linee, nulla quando è parallelo.

Il campo magnetico di un filo rettilineo infinito è descritto da linee di campo circolari con centro sul filo. Si ha: (Legge di Biot-Savart) L’induzione magnetica del filo rettilineo infinito è direttamente proporzionale all’intensità della corrente che scorre nel filo e inversamente proporzionale alla distanza da questo. Il filo infinito è un’astrazione poiché deve piegarsi alle estremità per chiudersi sui poli del generatore che fa scorrere in esso la corrente. Per calcolare l’induzione magnetica di una spira circolare bisogna stabilire quale sia il campo generato in un punto dalla corrente che attraversa un piccolo tratto di filo, per poi determinare il campo dell’intera spira come somma vettoriale dei singoli tratti.

Le proprietà del campo elettrico sono descrivibili con il teorema di Gauss, che riguarda il flusso del campo e la sua circuitazione. Il flusso di un campo magnetico attraverso qualunque superficie è: Secondo il teorema della circuitazione di Ampère, la circuitazione del campo magnetico dipende dalla corrente netta che scorre in un dato verso, cioè dalla somma algebrica delle correnti concatenate, prese ciascuna con il suo segno. Il teorema afferma che la circuitazione del campo magnetico, calcolata lungo qualsiasi cammino chiuso, è uguale al prodotto della permeabilità magnetica del vuoto per la corrente totale concatenata con il cammino. Il teorema di Gauss per il magnetismo afferma che: il flusso di campo magnetico uscente da qualunque superficie chiusa è nullo. Quindi, il numero delle linee di campo entranti è uguale al numero di quelle uscenti, cioè il flusso netto che entra nella superficie o esce da essa è uguale a 0.

In fisica, si definisce permeabilità magnetica relativa, e viene indicato con μr, il rapporto tra la permeabilità assoluta di un mezzo e la permeabilità magnetica μ0 del vuoto: μr=μ/μ0. In base ai valori della permeabilità magnetica relativa, si distinguono: Materiali diamagnetici, in cui μr è indipendente dal campo magnetico e leggermente minore dell’unità. Materiali paramagnetici, in cui μr, è indipendente dal campo magnetico ma cambia con la temperatura, assumendo sempre valori leggermente maggiori dell’unità. Materiali ferromagnetici, in cui μr, dipende sia dal campo magnetico sia dalla temperatura e può raggiungere grandezze elevate.

Immaginiamo di inserire un certo materiale all’interno di un solenoide collegato a un generatore di corrente elettrica inizialmente spento. Se aumentiamo gradualmente la corrente I che scorre nel solenoide, all’interno del materiale verrà generato un campo magnetico B⃗ che diventa sempre più intenso man mano che I cresce. Spegnendo il generatore, il campo magnetico B⃗ all’interno del materiale scompare. Ci sono però alcuni materiali speciali, detti ferromagnetici, che si comportano diversamente.  Il campo magnetico che viene prodotto in essi è molto più intenso. Inoltre si verifica un fenomeno chiamato saturazione magnetica per cui il campo magnetico non aumenta più una volta che ha raggiunto un certo valore caratteristico per ogni materiale. La situazione è rappresentata dalla figura, in cui viene rappresentato, in blu, l’andamento dell’intensità del campo magnetico B⃗  in funzione dell’intensità della corrente elettrica I.

Se un campo magnetico esercita una forza su un conduttore percorso da corrente, è lecito pensare che ogni particella carica che si muove in un campo magnetico subisce una forza, poiché la corrente è costituita da cariche in movimento. Questa forza è la forza di Lorentz, rappresentata dalla formula: Essendo sempre perpendicolare alla direzione della particella carica, la forza di Lorentz funge da forza centripeta per una particella di velocità perpendicolare alla direzione del campo magnetico e costringe la particella a curvare la sua traiettoria lungo un percorso circolare, il cui raggio r si può ricavare uguagliando la forza di Lorentz alla forza centripeta: La forza di Lorentz è alla base di molte applicazioni pratiche come ad esempio il motore elettrico. Infatti, il primo motore elettromagnetico realizzato nella storia è stato quello di Faraday nel 1821. La direzione della forza di Lorentz è perpendicolare alla velocità della particella e perpendicolare al campo magnetico; 

L’INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

Nel 1831 Faraday scoprì che in particolari condizioni un campo magnetico può generare una corrente elettrica. In un primo esperimento utilizzò un dispositivo composto da un anello di ferro avvolto da due bobine. La prima è alimentata da una batteria ed è provvista di un interruttore, mentre la seconda è chiusa su un galvanometro. Chiudendo l’interruttore del primo circuito, si registra un passaggio di corrente anche nel secondo. La corrente che circola nella bobina non collegata alla batteria è chiamata corrente indotta. Il circuito in cui si produce una corrente indotta è sempre immerso in un campo elettrico e deve variare nel tempo. Il flusso del campo magnetico attraverso la superficie di un circuito elettrico è chiamato flusso concatenato con il circuito.

Se in un circuito scorre una corrente indotta, per la prima legge di OHM, in quel circuito agisce una forza elettromotrice indotta. Il passaggio di corrente indotta genera a sua volta un campo magnetico (polarità N’ e S’) che, per la legge di conservazione dell’energia, non potrà favorire lo spostamento. Se si avvicina il magnete permanente non potrebbe prodursi sul lato affacciato un sud, altrimenti non servirebbe più esercitare lo sforzo di avvicinamento. Nasce quindi una forza che contrasta il moto del magnete e quindi si manifesta un N’. Secondo la legge di Faraday-Neumann la f.e.m. indotta è tanto maggiore quanto più rapida è la variazione del flusso. Per quanto riguarda il verso della f.e.m.i. si può osservare quanto segue. Il segno negativo, introdotto da Lenz, sta a significare che il verso della f.e.m.i. è tale da opporsi alla causa che l’ha prodotta. Quindi la corrente indotta ha verso tale da produrre un campo magnetico indotto  che contrasta il campo induttore, cioè che ne contrasta la variazione di flusso.

I generatori a corrente alternata funzionano grazie all’induzione elettromagnetica. Per comprendere il principio di funzionamento di un alternatore consideriamo una spira piana in rotazione in una regione dello spazio in cui sia presente un campo magnetico uniforme. Nell'Alternatore La corrente viene prelevata così come si forma (alternata) dal collettore formato da 2 anelli rotanti sui quali strisciano 2 spazzole collegati ai cavi. Ad ogni mezzo giro la corrente raccolta da ciascuna spazzola varia di polarità. Nella Dinamo Il collettore è composto da 1 anello diviso in diverse sezioni e ad ogni mezzo giro delle spire cambia in essa la polarità, ma cambia anche la sezione di anello con ciascuna spazzola, per cui ciascuna spazzola raccoglie un solo tipo di polarità (solo positiva o solo negativa), la corrente ha una sola direzione ed è quindi continua.