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Elettrostatica
L' elettrostatica è un settore della fisica che tratta delle forze esercitate da un campo elettrico stazionario (che non cambia nel tempo) su corpi carichi.
L'esistenza di fenomeni elettrostatici era nota sin dall'antichità. Infatti gli antichi greci sapevano bene che strofinare un oggetto non metallico lo rendeva simile ad un magnete: oggi sappiamo che i suoi elettroni vengono strappati dalla superficie o che altri elettroni vi vengono depositati. Nel primo caso si produce una elettrizzazione positiva, e nell'altro caso negativa.
Con la legge di Coulomb si ha il primo impulso per studiare più approfonditamente tali fenomeni, fino a che, nella secondà metà dell'Ottocento con le equazioni di Maxwell si è concluso definitivamente lo studio su tali fenomeni, passando successivamente alla formulazione elettromagnetica.
È semplice fare un esempio di fenomeno elettrostatico: basta pensare a due sfere di sughero accostate una vicina all'altra. Si strofinano, quindi, le due sfere e le si tocca una con il vetro, l'altra con l'ambra: alla fine si osserva che le due sfere si attraggono una verso l'altra.
Si può quindi concludere che esistono due tipi di elettrificazione per strofinio e che corpi carichi dello stesso tipo si respingono, di tipi diversi si attraggono.
Forza di Coulomb
La forza di Coulomb , descritta dalla legge di Coulomb , è l'interazione presente tra due corpi elettricamente carichi: se entrambi presentano la stessa carica, positiva o negativa, la forza risulterà repulsiva; in caso contrario, la forza risulterà essere attrattiva.
Fino alla metà del diciottesimo secolo, erano noti solo gli aspetti quantitativi della forza elettrica: gli scienziati, quindi, iniziarono a studiarne anche le proprietà qualitative, così che si fece strada l'idea di una somiglianza con la forza di gravità, ovvero una proporzionalità inversa con il quadrato della distanza. Tra il 1777 e il 1785 fu Charles Augustin de Coulomb a provare sperimentalmente che effettivamente la forza elettrica era proporzionale all'inverso del quadrato della distanza: la forza che si esercita tra due corpi carichi elettricamente è proporzionale al prodotto del modulo delle loro cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza d tra essi:
Questa, chiamata legge di Coulomb e determinata dallo scienziato francese con una precisione dell'1%, è stata il primo tentativo di capire il funzionamento della forza elettrica. q 1 e q 2 sono le cariche interagenti, d è la distanza tra le cariche e k, costante di Coulomb.
Come detto la forza di Coulomb ha in comune con la gravità la legge di dipendenza dalla distanza, ma diversamente da essa può essere attrattiva o repulsiva, in dipendenza con il segno delle cariche q 1 e q 2.
La forza elettrica esercitata da una particella carica q 1 su una carica q 2 può essere determinata a partire dal campo elettrico generato dalla prima carica e, scritta in forma vettoriale, assume la seguente espressione:
mentre il suo modulo è:
dove κ è la costante di Coulomb ed è pari a:
con ε 0 la costante dielettrica del vuoto, il cui valore è:
Elettricità statica
Quando il clima è freddo e secco, può succedere di ricevere una scossa camminando su un tappeto di lana o toccando una maniglia di metallo. Se è buio, si può vedere una scintilla. Qualche volta si vedono scintille pettinandosi i capelli. Queste scosse e queste scintille sono causate dall'elettricità statica.
Concetto
Il concetto di elettricità è spesso associato a fenomeni o entità ben precise, quali:
- Carica elettrica : proprietà fondamentale caratteristiche di alcune particelle subatomiche per cui si creano interazioni elettromagnetiche. La materia caricata elettricamente crea o modifica un campo elettrico.
- Campo elettrico : effetto prodotto da una carica elettrica che esercita una forza su un oggetto elettrizzato nelle vicinanze.
- Potenziale elettrico : energia potenziale di una carica non nota associata ad una determinata posizione in un campo elettrico (spesso noto come voltaggio).
- Corrente elettrica : moto o flusso di particelle elettricamente cariche.
- Energia elettrica : quantità di energia disponibile grazie al flusso di cariche elettrice in un conduttore o grazie alle forze tra particelle cariche.
- Potenza elettrica : valore per cui l'energia elettrica si converte in altri tipi di energia (luminosa, calore o energia meccanica).
Campo elettrostatico nel vuoto
Dati alcuni fatti sperimentali come l'attrazione e la repulsione tra sostanze trattate in maniera opportuna (per esempio per strofinìo), si sono definiti due stati di elettrizzazione della materia: positiva e negativa. Corpi elettrizzati entrambi positivamente o entrambi negativamente si
proporzionale al quadrato della loro distanza. Questo nuovo stato di cose è quello che chiamiamo campo elettrico, che è un campo vettoriale di forze.
Quindi se nello spazio poniamo una carica elettrica Q possiamo determinare la forza che produce (e che subisce) rispetto ad un'altra carica posta nelle vicinanze detta carica di prova q 0. Come si vede dall'esperienza, tale forza è proporzionale alla carica elettrica di prova q 0 ; è quindi logico definire il
vettore campo elettrico in un punto, come il rapporto tra la forza elettrica generata dalla carica Q e il valore della carica di prova stessa; questo rapporto rende indipendente il campo dalla particolare carica di prova usata:
( Dalla definizione si ricava che l'unità di misura del campo elettrico è N/C, cioè newton/coulomb. Essa equivale anche a V/m, cioè volt/metro ).
Linee di flusso e superfici equipotenziali
Linee di flusso uscenti per il campo elettrico prodotto da una carica positiva nello spazio
Linee di flusso entranti per il campo elettrico prodotto da una carica negativa nello spazio
Linee di flusso prodotte da due cariche uguali ed opposte di segno nello spazio-Dipolo elettrico
Linee di flusso prodotte da due cariche uguali e dello stesso segno nello spazio
Quando si parla di campi vettoriali si considerano le sue linee di flusso come quelle linee che sono in ogni punto tangenti al campo vettoriale. Esistono punti dei campi in cui le linee di flusso sono più fitte (o meglio infinite): questi punti si chiamano sorgenti del campo, che possono essere positive se le linee di flusso escono da questo punto e negative se le linee di flusso vanno verso questo punto.
Viceversa quando si parla di campi scalari si parla di superfici di livello, che sono il luogo dei punti per cui il valore del campo è costante; nel caso del potenziale elettrico: V 0 (x,y,z) = costante.
Le superfici di livello in questione cioè le superfici equipotenziali, sono sempre normali alle linee di flusso del campo elettrico.
Se si applica una tensione tra le armature, le cariche elettriche si separano e si forma un campo elettrico all'interno del dielettrico. L'armatura collegata al potenziale più alto si carica positivamente, negativamente l'altra. Le cariche positive e negative sono uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica Q del condensatore. La carica è proporzionale alla tensione applicata e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità e si misura in farad:
La capacità di un condensatore piano (armature piane e parallele) è proporzionale al rapporto tra la superficie A di una delle armature e la loro distanza d. La costante di proporzionalità ε è una caratteristica dell'isolante interposto e si chiama costante dielettrica assoluta e si misura in farad/m.
Ora, poiché la costante dielettrica del vuoto vale , il rapporto tra la costante dielettrica assoluta di un isolante e quella del vuoto è un numero puro chiamato costante dielettrica relativa.
La capacità di un condensatore piano a facce parallele è quindi:
L'energia
L'energia immagazzinata in un condensatore è pari al lavoro fatto per caricarlo. Si consideri, ora, un condensatore con capacità C , con carica +q su una piastra e - q sull'altra. Per muovere un piccolo elemento di carica d q da una piastra all'altra sotto l'azione della differenza di potenziale V = q / C , il lavoro necessario è d W :
Integrando questa equazione, infine, si può determinare l'energia potenziale immagazzinata dal condensatore. Gli estremi dell'integrazione saranno 0, ovvero un condensatore scarico, e Q , ovvero la carica immessa sui piatti del condensatore:
In serie e in parallelo
Quando si montano n condensatori in parallelo su ognuno di essi si misurerà la medesima caduta di
potenziale. La capacità equivalente totale sarà, quindi, data dalla formula:
Condensatori in parallelo (schema)
Quando si montano n condensatori in serie, attraverso ognuno di essi passerà la stessa carica istantanea (in regime dinamico, la stessa corrente), mentre la caduta di potenziale sarà differente da
condensatore a condensatore; in particolare, essendo , a parità di Q la tensione
maggiore sarà localizzata ai morsetti della capacità minore. La capacità equivalente totale sarà pertanto definita dalla seguente relazione:
Condensatori in serie (schema)
Differenza di potenziale
In fisica, la differenza di potenziale è la differenza in potenziale tra due punti immersi in un campo vettoriale conservativo. Nel contesto dell'elettricità, il campo vettoriale conservativo è il campo elettrostatico. Tra due punti nel campo si può definire una differenza di potenziale elettrico la cui unità di misura è il volt. Tale differenza di potenziale è talvolta chiamata tensione o, più raramente, voltaggio.
Resistore
Il resistore è un componente elettrico di enorme importanza per le sue innumerevoli applicazioni sia in apparecchiature elettriche che elettroniche. I resistori sono a volte utilizzati per convertire energia elettrica in energia termica.
Nella Teoria dei circuiti il resistore è un componente ideale che risponde, se lineare , alla legge di Ohm, i resistori non lineari sono essenziali per fare modelli circuitali, per esempio, degli oscillatori elettronici. Nel mondo reale, i resistori sono dispositivi multiformi, con caratteristiche e limiti operativi ben determinati.
I resistori reali, spesso anche chiamati impropriamente resistenze , sono caratterizzati dal valore della loro resistenza elettrica, espressa in Ohm, nonché dalla massima potenza (ovvero energia per unità di tempo) che possono dissipare, senza distruggersi, espressa in watt. A volte, ma più raramente, al posto del valore della resistenza, è indicato quello della loro conduttanza (che è l'inverso matematico della resistenza). Per molte applicazioni civili ed industriali, al posto del loro valore resistivo, ovvero della resistenza, si indica la tensione tipica di funzionamento, espressa in
I dispositivi per i quali la legge è soddisfatta sono detti resistori ideali o ohmici ; tuttavia, per ragioni storiche, si continua ad attribuire all'enunciato il rango di legge. Si noti che la legge di Ohm esprime unicamente la relazione di linearità fra la corrente elettrica I e la differenza di potenziale V applicata. L'equazione indicata è semplicemente una forma dell'espressione che definisce il concetto di resistenza ed è valida per tutti i dispositivi conduttori.
Resistenza di un filo conduttore
La resistenza R di un filo può essere calcolata mediante la II legge di Ohm:
dove:
L è la lunghezza del filo, misurata in metri
A è l'area della sezione, misurata in metri^2
ρ (lettera greca: ro minuscola) è la resistività elettrica (detta anche resistenza elettrica specifica o resistività) del materiale, misurata in ohm · metro. È la misura della capacità del materiale di opporsi al fluire in esso della corrente elettrica (indipendentemente dalle sue dimensioni e dalla sua forma). Frequentemente la resistenza specifica viene data in Ohm x mm² / m e ciò esprime la resistenza in Ohm di uno specifico materiale di lunghezza 1 metro e sezione 1 mm². Ad es la resistenza specifica del rame è 0,0175 Ohm x mm² / m e ciò sta ad indicare che un filo di rame di lunghezza 1 metro e sezione 1 mm² ha una resistenza elettrica di 0,0175 Ohm.
Nota aggiuntiva: vi sono due motivi per cui una piccola sezione del filo tende ad aumentare la sua resistenza. Uno è che gli elettroni, che hanno tutti la stessa carica negativa, si respingono tra di loro. Quindi c'è una resistenza alla loro compressione in un piccolo spazio. L'altro motivo è dovuto al fatto che gli elettroni 'si urtano' tra di loro generando scattering (in inglese letteralmente: sparpagliamento, dispersione) e quindi mutano la loro traiettoria originale.
Dipendenza dalla temperatura
La resistività e quindi la resistenza dipende dalla temperatura, nei conduttori elettrici questa dipendenza si può scrivere in maniera approssimata come segue:
dove ρ 0 è la resistività alla temperatura T 0 e α un coefficiente che dipende dal materiale.
Resistenze in serie e in parallelo
Circuito in serie
"n"Resistenze sono collegate in serie, cosicché le resistenze si sommano
R = R! + R 2 + .... + Rn
Si può raffigurarsi questo su due resistenze, che si differiscono l'una dall'altra solo nella lunghezza.
Il collegamento in serie da come risultato un corpo di resistenza di lunghezza l_{1}+l_{2}. E' valido quindi
Resistenze in parallelo
Con il collegamento in paralleo di "n" Resistenze si sommano le conduttanze, rispettivamente i reciproci delle Resistenze:
In un collegamento in parallelo siano presenti resistenze del medesimo valore, così la Resistenza totale può venire calcolata dividendo la resistenza singola per il numero delle resistenze nel circuito.
Potenza dissipata
Si è detto che la presenza di una resistenza determina un riscaldamento del componente. Più precisamente la potenza dissipata in calore è data dalla relazione:
dove:
P è la potenza misurata in watt (le altre grandezze sono state già definite sopra).
Questo effetto è utile in alcune applicazioni come le lampade ad incandescenza oppure negli apparati riscaldanti ad energia elettrica (ad esempio: gli asciugacapelli) ma non è certo voluto nelle linee di distribuzione dell'energia elettrica dove l' effetto joule provoca perdite di potenza elettrica lungo tali linee che vanno contenute scegliendo opportunamente le dimensioni dei cavi elettrici che traportano l' energia.
Alluminio 0.0282 × 10-^6
Tungsteno 0.056 × 10-^6
Ferro 0.1 × 10-^6
Acciaio 0.12 × 10-^6
Platino 0.11 × 10-^6
Piombo 0.22 × 10-^6
Nickelcromo (Una lega di nichel e cromo usata negli elementi riscaldanti) 1.50 × 10
Nitinol (Una lega a memoria di forma a base di nichel e titanio) 0.80 × 10
Carbonio 35 × 10-
Germanio 0.
Silicio 640
Vetro tra 10^10 e 10^14
Gomma dura circa 10^13
Zolfo 1015
Quarzo fuso 75 × 10^16
Pelle umana circa 5.0 × 10^5
Osservando la tabella si può intuire perché il rame è ampiamente usato per realizzare linee elettriche. L'argento è leggermente migliore ma decisamente più costoso.
Unità di misura
L'unità di misura della resistività è l'ohm x metro (Ω x m)
L'unità di misura della conducibilità elettrica (o conduttività elettrica) è (Ω x m)-
Conduttanza elettrica
La conduttanza (o, più raramente, conducibilità elettrica ) è l'espressione quantitativa dell'attitudine di un conduttore ad essere percorso da corrente elettrica ed è l'inverso della resistenza elettrica. La conduttanza viene solitamente indicata con la lettera G.
La sua unità di misura nel sistema internazionale è il siemens (S) e dimensionalmente si ha: 1 S = 1Ω − 1
La conduttanza riferita ad una unità standard di conduttore è definita conducibilità elettrica specifica o conduttività elettrica.
è diversa da zero nel caso dei resistori.
Effetto Joule
L' effetto Joule , osservato dal fisico James Prescott Joule attorno al 1840, è quel fenomeno per cui un conduttore attraversato da una corrente elettrica dissipa calore con una potenza P pari al prodotto della differenza di potenziale presente ai suoi capi V per l'intensità di corrente che lo percorre I :
Poiché tensione e corrente sono legati tra loro dalla legge di Ohm secondo la relazione:
ne deriva che la potenza dissipata come calore si può anche esprimere nelle forme:
e
Teorema del flusso
- Carica Q interna alla superficie S
Consideriamo una superficie chiusa qualsiasi S che contiene al suo interno una carica Q puntiforme.
Questa carica crea un campo elettrico le cui linee di flusso attraversano la superficie. Prendiamo un elemento infinitesimo della superficie dS e indichiamo con il versore uscente
normale a questo elemento di superficie. Si definisce flusso infinitesimo del vettore uscente dall'elemento di superficie dS :
Possiamo enunciare il teorema del flusso o di Gauss: Il flusso del vettore uscente da una
superficie S qualsiasi contenente una carica puntiforme (più cariche puntiformi interne ) è uguale a:
Qui puoi vedere gli esempi sul calcolo del campo elettrico con il teorema del flusso di Gauss.
- Carica Q esterna alla superficie S
In questo caso il flusso è nullo poiché le linee di flusso attraversano la superficie in due elementi di superficie però con versori normali opposti che quindi si annullano a vicenda; sia che si abbia una carica che più cariche che una distribuzione continua comunque esterne si ha sempre:
Insieme al magnetismo, costituisce l'interazione fondamentale detta elettromagnetismo. L'elettricità è responsabile di ben noti fenomeni fisici, come il fulmine, il campo elettrico e la corrente elettrica (con cui è comunemente confusa) e rappresenta l'elemento essenziale di alcune applicazioni industriali come l'elettronica e la potenza elettrica. L'elettricità è diventata il migliore "servitore" dell'uomo e il simbolo del mondo moderno. Illumina le abitazioni, fa funzionare le fabbriche e rende vicini i popoli più lontani. Ha contribuito a rivelare i segreti delle stelle, degli atomi e della vita stessa. La carica elettrica è una di quelle entità che può essere misurata, pesata ed utilizzata, ma non può essere definita in termini facilmente comprensibili, perché, come per lo spazio, il tempo e la massa, non è facile darne una esauriente definizione. Forse il modo migliore di definirla è di osservarne gli effetti. Un oggetto dotato di una carica elettrica esercita una forza a una certa distanza su un altro oggetto avente una carica elettrica. Contrariamente alla forza di gravità, la quale fa sì che un oggetto ne attragga un altro, gli oggetti con una carica elettrica possono sia attrarsi sia respingersi l'un l'altro. Inoltre, la gravità è in rapporto diretto con la massa degli oggetti in questione, mentre la carica elettrica e la massa non sono in rapporto qúando gli oggetti sono immobili. Gli esperimenti dimostrano che vi sono due diversi tipi di carica elettrica. Il primo di questi è denominato carica positiva o carica +, ed è associato ai nuclei degli atomi di tutte le materie. Il secondo è la carica negativa o - , ed è proprio di tutti gli elettroni che circondano il nucleo dell'atomo. In genere, la carica positiva del nucleo è esattamente uguale alla somma delle cariche negative degli elettroni che lo circondano. Il verso delle forze, che agiscono tra gli oggetti aventi una carica elettrica, dipende dal tipo di carica su questi oggetti. Ad esempio, se due oggetti hanno lo stesso tipo di carica, siano entrambi positivi o entrambi negativi, gli oggetti si respingono. Quando i due oggetti hanno carica opposta, essi si attraggono l'uno con l'altro. Questa forza elettrica d'attrazione, tra i nuclei positivi e gli elettroni negativi, lega questi ultimi al nucleo. In un certo senso, l'elettricità tiene insieme il mondo.
La quantità complessiva di cariche elettriche resta praticamente costante nel mondo. Poiché i due tipi di carica hanno effetti opposti, il risultato normale complessivo è di neutralità elettrica, o apparente mancanza di carica. Pertanto, al fine di osservare gli effetti di carica in quantità abbastanza grandi di materia, sarà necessario turbare l'equilibrio normale e produrre un eccesso di carica nell'oggetto nel modo voluto. Numerose sostanze solide hanno una struttura cristallina, cioè i loro atomi sono disposti in un reticolo regolare tridimensionale. Ma in alcune sostanze, gli elettroni che circondano questi nuclei non sono legati strettamente. In certe condizioni, è possibile sia aggiungere che sottrarre un buon numero di elettroni senza turbare seriamente la struttura cristallina. In altre parole, i nuclei atomici tendono a restare fissi nella loro posizione, ma gli elettroni si possono spesso muovere. Per dare una carica negativa, si dovrà solo aggiungere elettroni in eccesso. Tuttavia, in relazione alla carica positiva e negativa, si deve ricordare che il più e il meno sono segni indicativi di uno stato elettrico, non indicatori di operazioni matematiche, come nell'aritmetica o nell'algebra. Quando si vede un segno negativo applicato ad una carica, si deve ricordare che esso sta ad indicare solamente un numero in eccesso di elettroni, e non ha niente a che vedere con una sottrazione.
Dal punto di vista elettrico, è possibile classificare, grosso modo, tutte le sostanze componenti la materia in due grandi gruppi. I tipi di sostanze che contengono un numero relativamente grande di elettroni liberi, che si possono muovere da un atomo all'altro, sono denominati conduttori elettrici. Le sostanze nelle quali gli elettroni non sono liberi di muoversi sotto una sollecitazione moderata sono denominate isolanti elettrici. La maggior parte dei metalli è conduttrice di elettricità sebbene in modo diverso dai conduttori usati dal chimico, come le soluzioni acquose degli acidi, delle basi o dei sali. D'altro canto, la maggior parte delle sostanze non metalliche è elettricamente isolante. Naturalmente, non esiste né un conduttore perfetto, né un isolante perfetto, però, in pratica, un certo numero di sostanze serve assai bene a questo scopo. Ad esempio, l'argento, il rame, l'alluminio e
persino l'acciaio sono spesso adatti come conduttori, mentre il vetro, la porcellana, la maggior parte delle materie plastiche e l'aria secca sono buoni isolanti.
Elettricità e magnetismo
Lo spazio intorno ad un elettrone o un qualsiasi altro oggetto avente una carica elettrica sembra trovarsi in uno stato di sollecitazione, denominato campo elettrico. È questo che interferisce con i campi elettrici di altri oggetti elettricamente carichi e provoca le forze reciproche tipiche di tali oggetti. Ma se si imprime un movimento agli elettroni, il loro percorso viene circondato da un altro nuovo campo, denominato campo magnetico. La forza di questo campo è direttamente proporzionale sia al numero di elettroni in movimento sia alla velocità a cui si muovono, ossia, in altri termini, alla corrente. Pertanto, se si fa passare una corrente attraverso una bobina, convenientemente predisposta, di filo di rame, questa bobina di filo si comporterà come un magnete d'acciaio, attraendo o respingendo altre bobine simili di filo. Avvolgendo una tale bobina su una struttura di ferro o nucleo, si rafforzerà il campo magnetico prodotto. Se si dispongono parecchie bobine di filo attorno ad un nucleo di ferro, libero di ruotare, collocandole nel campo di grande intensità di una serie di bobine fisse, percorse da corrente, si otterranno notevoli forze meccaniche. Queste faranno ruotare le bobine mobili, le quali compiranno un lavoro meccanico. Tale apparecchio è denominato motore elettrico. Attualmente, i motori elettrici fanno funzionare tutti i tipi di macchinario, dai delicati trapani del dentista alle gigantesche macchine delle fabbriche moderne. Vi possono essere numerosi motori elettrici in un'abitazione moderna, da quello della caldaia a nafta, a quello del frigorifero, ecc.
Corrente alternata e continua
Batterie
Fino a questo punto, si è accennato che, in un qualsiasi circuito dato, gli elettroni si muovono sempre nello stesso senso internamente ad esso. Qualche volta, però, la corrente non resta costante, sia per quanto riguarda la forza che il senso. Un sistema o un circuito del tipo suddetto è denominato sistema a corrente diretta o continua. Un esempio di tale circuito è dato da un qualsiasi circuito potenziato da batterie, per esempio, un lampo al magnesio, oppure un impianto elettrico nelle automobili. Tuttavia, non è necessario che la corrente vada sempre in un senso. Si usano numerosi circuiti elettrici, in cui la corrente inverte regolarmente il senso del suo flusso nel circuito. Questo tipo di circuito è denominato a corrente alternata. I circuiti elettrici più comuni e maggiormente impegnati sono a corrente alternata. In un circuito a corrente alternata, è necessario
In seguito fu il chimico britannico Michael Faraday a condurre una simile esperienza (ribattezzata esperimento di Faraday) con cui 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 l e distanza d , percorsi rispettivamente da una corrente di intensità i 1 e i 2 , si esercita una forza pari a:
dove k è una costante esattamente pari a (dove μ 0 è la costante di permeabilità magnetica). 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 descrivono in pieno tutti i fenomeni magnetici e elettrostatici classici.
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 crescere del 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 poli nord separatamente.
Campo elettromagnetico
Per capire bene cosa sia il campo elettromagnetico bisogna avere il concetto di campo. Oggi, il concetto di campo, sconosciuto ai tempi di Galileo e Newton, costituisce il punto di partenza per lo studio di molti fenomeni fisici fondamentali, e consente di evitare l'errore di credere che la forza di attrazione o di repulsione sia generata da una sola delle due cariche che interagiscono, mentre l'altra ne subisce gli effetti. Allora si pongono delle domande come conseguenza della precedente affermazione: come si trasmettono le forze? Per contatto o azione a distanza? Un corpo dotato di carica elettrica viene attirato da un altro corpo elettrizzato con carica di segno diverso non perché da esso parta una qualche forza di attrazione, ma perché esso genera un campo in cui tutti i corpi di segno elettrico opposto tendono ad avvicinarsi ad esso. il fenomeno dell'attrazione quindi è dovuto non all'oggetto ma allo spazio in cui si trova. Il campo elettromagnetico è l'interazione tra il campo magnetico e quello elettrico, e questo si può facilmente osservare anche nel caso di una bussola; avvicinando infatti una bussola ad un filo percorso da corrente elettrica vediamo che l'ago magnetico tende a disporsi in posizione trasversale rispetto al filo_. Questo fenomeno si può spiegare solo dicendo che una corrente elettrica, e più in generale una carica in moto, crea un campo magnetico._ Se la corrente che fluisce nel filo è corrente continua, cioè costante in un certo periodo, anche il campo magnetico sarà costante. Grazie a questo tipo di esperimento si arriva a costruire una teoria unitaria per i fenomeni elettrici e magnetici.
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
Il fatto che sta alla base della teoria elettromagnetica è la simmetria dell'interazione cioè, nel caso dell'interazione tra un magnete ed un filo percorso da corrente il magnete agisce sulla corrente, e viceversa la corrente agisce sul magnete. In particolare se un filo avvolto a spirale, percorso da corrente, e immerso in un campo magnetico comincia e continua a ruotare finché c'è un campo magnetico. Per la situazione simmetrica, se un filo a spirale, non percorso da alcuna corrente elettrica viene immerso in un campo magnetico e lo si fa ruotare si genera una corrente elettrica. Questo fenomeno è importantissimo perché ci consente di trasformare l'energia meccanica in energia elettrica come per esempio negli alternatori.
Legge di Faraday-Neumann-Lenz
La legge di Faraday-Neumann-Lenz o legge dell'induzione elettromagnetica 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. È alla base del funzionamento di alternatore, dinamo e trasformatore.
Tale legge deriva dall'unione di diversi principi. La legge di Faraday , elaborata da Michael Faraday a partire dal 1831 , afferma che la corrente elettrica indotta in un circuito chiuso da un campo magnetico è proporzionale al flusso che attraversa l'area abbracciata dal circuito nell'unità di tempo.
Dove E è il campo elettrico indotto, d s è un elemento infinitesimo del circuito e dΦB/dt è la variazione di flusso magnetico. Alternativamente si può esprimere in forma differenziale in funzione del campo magnetico B :
Poiché:
si ha che la legge, espressa matematicamente nella forma elaborata da Franz Ernst Neumann nel 1845 in termini di forza elettromotrice, è:
