ELETTROMAGNETISMO 1 LICEO GINNASIO STATALE “SAN NILO” Prof.ssa Francesca Russo

L’ESPERIENZA DI ØERSTED Fino agli inizi del XIX secolo i fenomeni legati all'elettricità ed al magnetismo furono considerati indipendenti e di conseguenza studiati e analizzati separatamente. Nel 1819 il fisico Hans Christian Oersted ( ) scoprì casualmente, durante una sua lezione, che un ago magnetico posto nelle vicinanze di un circuito elettrico subiva una deviazione dalla sua posizione di equilibrio. La scoperta dell’effetto magnetico della corrente elettrica fu resa nota da Oersted il 21 luglio 1820 con una memoria di sole quattro pagine che porta il titolo “Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticum”: un ago magnetico, avvicinato ad un filo rettilineo percorso da corrente, si dispone nella direzione perpendicolare al piano passante per il conduttore e per il centro di sospensione dell'ago. Questa esperienza segnò la data di nascita dell'elettromagnetismo, una teoria unificata che dimostra come i fenomeni elettrici e magnetici siano indissolubilmente collegati.

La fotografia qui accanto è stata ottenuta disponendo della limatura di ferro sparsa su un piano perpendicolare alla direzione di un filo rettilineo percorso da corrente. Come si vede il campo magnetico intorno al filo percorso da corrente non è radiale, cioè le linee non hanno origine dal filo, ma risultano essere circolari e concentriche, così che in ogni punto la direzione del campo magnetico si mantiene perpendicolare al filo. (NB stiamo parlando in 3 dimensioni!) CAMPO MAGNETICO GENERATO DA UN FILO RETTILINEO PERCORSO DA CORRENTE ELETTRICA Al fisico francese Andrè Marie Ampère ( ) fu poi dovuto il rapido sviluppo anche teorico di questo nuovo campo di indagine.

Utilizzando aghi magnetici al posto della limatura di ferro e assegnando come verso delle linee quella indicata dal polo nord dell'ago, si può vedere che le linee di campo hanno un andamento antiorario se la corrente esce dal piano, orario se la corrente entra nel piano. Regola della mano destra: avvolgendo idealmente con la mano destra il filo conduttore con il pollice nel verso della corrente, le altre dita danno il verso delle linee di campo. Si noti come le linee di forza magnetiche sono sempre concatenate con la corrente che le produce. CAMPO MAGNETICO GENERATO DA UN FILO RETTILINEO PERCORSO DA CORRENTE ELETTRICA

Il tratto di circuito subisce una forza (detta appunto forza di Lorentz) proporzionale all’intensità di corrente che lo attraversa, con direzione e verso determinabili attraverso una seconda regola della mano destra: NB: invertendo la polarità del generatore F risulterebbe opposta LA FORZA DI LORENTZ Poiché un filo percorso da corrente elettrica genera attorno a sé un campo magnetico e il filo stesso esercita una certa forza sui magneti, per la legge di azione e reazione è lecito aspettarsi che un magnete eserciti una analoga forza su un circuito percorso da corrente elettrica. Per verificare sperimentalmente tale situazione si utilizza il sistema descritto nella figura sottostante.

Un campo magnetico viene evidentemente generato anche da conduttori non rettilinei. Consideriamo innanzitutto un circuito circolare (spira singola) percorso da corrente continua come in figura: CAMPO MAGNETICO GENERATO DA UNA SPIRA Per rendere più chiara la prospettiva, consideriamo la spira "appoggiata" idealmente su un parallelepipedo. Possiamo immaginare la spira costituita di moltissimi segmenti rettilinei di conduttore, ciascuno di lunghezza molto piccola (L), e possiamo pensare che ciascun segmento di conduttore generi un campo magnetico come nel caso di un conduttore rettilineo.

La composizione di tutti questi contributi determina la particolare conformazione che assumono le linee di forza del campo: CAMPO MAGNETICO GENERATO DA UNA SPIRA le linee di forza del campo sono ancora dei cerchi concatenati con la spira, ma tali cerchi sono spostati eccentricamente verso l'esterno.

Lo stesso ragionamento vale anche se si dispone un numero qualunque di spire disposte una di seguito all’altra. Ad esempio, un conduttore può essere avvolto in modo da formare più spire concentriche (cioè come se avvolgessimo il conduttore attorno ad un cilindro "ideale"). Un siffatto conduttore viene chiamato solenoide o bobina. CAMPO MAGNETICO GENERATO DA UN SOLENOIDE In realtà, le linee di forza nelle vicinanze delle spire e fra le medesime assumono conformazioni complicate in quanto il campo magnetico prodotto dal solenoide è la composizione dei singoli campi prodotti dai singoli piccoli segmenti di conduttore. E' solo al centro del solenoide che le linee di forza sono pressoché lineari e parallele (campo magnetico uniforme).

Se inseriamo in un solenoide un nucleo di ferro dolce e facciamo passare la corrente elettrica (nelle spire del solenoide), otteniamo un campo magnetico molto più forte di quello che si ottiene con lo stesso solenoide percorso dalla stessa corrente ma senza il nucleo di ferro dolce (semplicemente avvolto in aria). Il dispositivo formato da un solenoide avvolto su un nucleo di ferro dolce si chiama elettromagnete o elettrocalamita. ELETTROMAGNETE La possibilità che il nucleo dell'elettromagnete si magnetizzi e smagnetizzi a nostro piacere dipende dal fatto che il ferro dolce ha la proprietà di smagnetizzarsi velocemente non appena la corrente cessa. Cosa succederebbe se il nucleo fosse invece costituito da acciaio? Si tratta quindi di un magnete temporaneo, che cioè è tale solo quando facciamo passare la corrente nel solenoide.

La lettera A indica un punto fisso (perno). La lettera B indica un contatto mobile (punta metallica). La lettera C indica un percussore (sferetta metallica). L'arco AC indica un conduttore mobile di ferro dolce La lettera D indica un dispositivo acustico (realizzato da un apposito corpo metallico cavo). La lettera E indica un elettromagnete. Normalmente, in assenza di corrente, il conduttore mobile AC è appoggiato al contatto B. IL CAMPANELLO Quando si preme il tasto T, il circuito viene chiuso e passa corrente nell'elettromagnete il quale si magnetizza ed attira a sé il conduttore mobile AC. Il percussore C urta il dispositivo acustico ma così il contatto in B si stacca: il circuito si apre e non passa più corrente. Dunque l'elettromagnete si smagnetizza e il conduttore AC torna nella posizione di riposo ripristinando il contatto e richiudendo il circuito. Torna quindi a passare corrente, l'elettromagnete si magnetizza, il conduttore mobile viene attirato verso l'elettromagnete, ecc. ecc.

Il telegrafo utilizza l'alfabeto Morse che traduce ogni lettera e simbolo in punti e linee. Lo schema di massima del telegrafo è il seguente : IL TELEGRAFO Spingendo il tasto T per un tempo breve o lungo, il pennino C, azionato dall'elettromagnete A, scrive un tratto breve (un punto) o lungo (linea) sul nastro di carta D in movimento. La prima trasmissione ufficiale si ha il 24 maggio 1844 fra Washington e Baltimora. In Italia, l'introduzione del telegrafo avviene nel 1852, nel Regno delle Due Sicilie.