Elettromagnetismo teoria | Appunti di Fisica

MAGNETISMO

Dai tempi di Talete, era noto che la magnetite, un minerale ferroso, attrae piccoli oggetti di ferro,

quindi è un magnete naturale, grazie appunto a questa capacità di attrarre gli oggetti.

In condizioni normali, una sbarra d’acciaio, avvicinata a delle puntine di ferro, non le attrae.

Se però dovessimo mettere in contatto la sbarretta d’acciaio con la magnetite, l’acciaio acquisterà

questa proprietà di attrarre piccoli pezzetti di ferro.

Quindi la barretta d’acciaio si magnetizza divenendo un magnete artificiale.

Le sostanze che vengono magnetizzate, quindi che non sono magneti naturali, prendono il nome di

magneti artificiali, come le calamite.

Queste sostanze ferro magnetiche sono: il ferro, l’acciaio, il cobalto, il nickel e le loro leghe.

BUSSOLA

Se consideriamo una bussola, all’interno del suo quadrante, c’è un piccolo ago magnetico poggiato

su un perno e che può ruotare liberamente.

Solitamente l’aghetto si dirige sempre verso la stessa direzione nord-sud e l’ago della calamita

punta sempre nord. Questo ci fa capire come in una qualunque calamita è possibile distinguere

sempre 2 poli: nord e sud.

Chiamiamo polo nord, l’estremo dell’ago che punta verso il Nord, l’altro estremo, verso il Sud.

Per capire qual è il polo nord e polo sud, dobbiamo avere una calamita della quale sappiamo

esattamente quali sono il poli.

Se avviciniamo una calamita ad un’altra, e si respingono, vuol dire che ho avvicinato poli dello

stesso tipo, quindi nasce una forza repulsiva, ovvero la forza magnetica.

Se poli magnetici di tipo diverso si attraggono, nasce una forza attrattiva.

CAMPO MAGNETICO

Se ho una regione nello spazio e voglio sapere se quella ragione è sede di un campo magnetico,

devo avere un piccolo ago magnetico, chiamato AGO MAGNETICO DI PROVA. Lo pongo in

quella regione dello spazio e se su questo ago agiscono delle forze, vuol dire che in quella regione

dello spazio c’è un campo magnetico, quindi ruota finché non trova un equilibrio.

Se l’ago magnetico rimane fisso, non si muove in nessun modo, vuol dire che in quella regione non

c’è un campo magnetico.

Il campo magnetico si descrive usando un vettore chiamato vettore campo magnetico B →.

Il campo magnetico cambia a seconda di come è generato, anche la corrente elettrica può generare

un campo magnetico.

Lo stesso Pianeta Terra può essere considerato un campo magnetico gigante, chiamato Campo

Magnetico Terrestre. Gli aghi magnetici si orientano in questo modo:

- Il polo Nord Magnetico, viene considerato vicino a quello geografico, è un polo sud perché attira i

poli nord di tutte le bussole.

- Il polo Sud magnetico della Terra è un polo Nord.

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MAGNETISMO

Dai tempi di Talete, era noto che la magnetite, un minerale ferroso, attrae piccoli oggetti di ferro, quindi è un magnete naturale, grazie appunto a questa capacità di attrarre gli oggetti. In condizioni normali, una sbarra d’acciaio, avvicinata a delle puntine di ferro, non le attrae. Se però dovessimo mettere in contatto la sbarretta d’acciaio con la magnetite, l’acciaio acquisterà questa proprietà di attrarre piccoli pezzetti di ferro. Quindi la barretta d’acciaio si magnetizza divenendo un magnete artificiale. Le sostanze che vengono magnetizzate, quindi che non sono magneti naturali, prendono il nome di magneti artificiali, come le calamite. Queste sostanze ferro magnetiche sono: il ferro, l’acciaio, il cobalto, il nickel e le loro leghe. BUSSOLA Se consideriamo una bussola, all’interno del suo quadrante, c’è un piccolo ago magnetico poggiato su un perno e che può ruotare liberamente. Solitamente l’aghetto si dirige sempre verso la stessa direzione nord-sud e l’ago della calamita punta sempre nord. Questo ci fa capire come in una qualunque calamita è possibile distinguere sempre 2 poli: nord e sud. Chiamiamo polo nord, l’estremo dell’ago che punta verso il Nord, l’altro estremo, verso il Sud. Per capire qual è il polo nord e polo sud, dobbiamo avere una calamita della quale sappiamo esattamente quali sono il poli. Se avviciniamo una calamita ad un’altra, e si respingono, vuol dire che ho avvicinato poli dello stesso tipo, quindi nasce una forza repulsiva, ovvero la forza magnetica. Se poli magnetici di tipo diverso si attraggono, nasce una forza attrattiva. CAMPO MAGNETICO Se ho una regione nello spazio e voglio sapere se quella ragione è sede di un campo magnetico, devo avere un piccolo ago magnetico, chiamato AGO MAGNETICO DI PROVA. Lo pongo in quella regione dello spazio e se su questo ago agiscono delle forze, vuol dire che in quella regione dello spazio c’è un campo magnetico, quindi ruota finché non trova un equilibrio. Se l’ago magnetico rimane fisso, non si muove in nessun modo, vuol dire che in quella regione non c’è un campo magnetico. Il campo magnetico si descrive usando un vettore chiamato vettore campo magnetico B →. Il campo magnetico cambia a seconda di come è generato, anche la corrente elettrica può generare un campo magnetico. Lo stesso Pianeta Terra può essere considerato un campo magnetico gigante, chiamato Campo Magnetico Terrestre. Gli aghi magnetici si orientano in questo modo:

Il polo Nord Magnetico, viene considerato vicino a quello geografico, è un polo sud perché attira i poli nord di tutte le bussole.
Il polo Sud magnetico della Terra è un polo Nord.

La direzione e il verso del campo magnetico si stabilisce utilizzando un ago di prova.

La direzione del campo magnetico è data come la retta che unisce i due poli, nord e sud.
Il verso è stabilito dalla convenzione che esso va dal polo SUD al polo NORD del magnete di prova. Il magnete di prova deve essere molto piccolo perché sennò non si riesce a stabilire qual è il campo magnetico presente nella regione. Le linee di campo ci danno la direzione e il verso del campo magnetico. Mettendo della limatura di ferro su un cartoncino e ponendo sotto di esso una calamita, potremmo visualizzare il campo magnetico, in quanto, la limatura di ferro genera delle linee di campo che si accumulano sui poli della calamita. Accade ciò perché ogni frammento di ferro, si magnetizza, e si dispone lungo il campo. La limatura, disponendosi, forma un certo disegno, chiamato Spettro Magnetico. Alcune linee vanno dal polo nord al polo sud e sono chiuse. Altre sono aperte, fuoriescono dai poli, entrando dal polo sud e uscendo dal polo nord, all’interno del magnete. All’esterno succede il contrario. Il rosso indica il polo nord, il bianco o il blu, indica il polo sud. Linee di campo Le linee di campo magnetico si tracciano mettendo l’ago in vari punti, distanti tra loro Δs, poi facendo tendere Δs a zero, si ottiene una singola linea.
In ogni punto, le linee sono tangenti a B
Il verso è uscente dai poli nord ed entrante nei poli sud.
La loro densità è proporzionale all’intensità di B, nei punti della regione dello spazio in cui il vettore campo elettrico è più intenso, le linee sono più fitte. Sono più rade se il campo è meno intenso. CAMPO ELETTRICO E CAMPO MAGNETICO Analogie
Entrambi sono campi di forza (il campo elettrico nasce per via della forza elettrica, il campo magnetico perché su di esso agisce la forza magnetica)
Entrambi sono descritti da linee di campo.
Esistono due polarità magnetiche così come due elettriche.
Un conduttore scarico può essere elettrizzato per stofinio, contatto o induzione, una barretta metallica può essere magnetizzata. Differenze
Nell’elettrizzazione per contatto, c’è un trasferimento di cariche
Nella magnetizzazione per contatto con c’è passaggio di poli magnetici, è solo una proprietà che viene acquisita.
Si possono avere oggetti carichi positivamente o negativamente, invece una calamita ha sempre sia polo nord che polo sud. Non esistono polarità magnetiche isolate. Appunto per questo ricordiamo l’ ESPERIMENTO O ESPERIENZA DELLA CALAMITA SPEZZATA Non è possibile suddividere un magnete in modo tale da avere un polo nord e un polo sud isolati. Se dividessimo una calamita in due parti, in ciascuno dei frammenti si riformeranno sia il polo nord

FORZE TRA CORRENTE E MAGNETE

Le esperienze di Oersted e Faraday mostrano una relazione tra correnti elettriche e campo magnetico:

una corrente elettrica genera un campo magnetico
un filo percorso da corrente, risente della forza di un campo magnetico ESPERIMENTO DI AMPERE Ampere stabilì che tra due fili percorsi da corrente c’è una forza dovuta all’effetto dei due campi prodotti dai fili. Ogni filo genera un campo e fra questi campi nasce una forza. Questo esperimento fu condotto da Ampere dopo la scoperta fatta da Oersted:
Verificò sperimentalmente che due fili rettilinei e paralleli si attraggono (nasce una forza attrattiva) se sono attraversati da correnti nello stesso verso.
I due fili rettilinei e paralleli si respingono (nasce una forza repulsiva) se conducono correnti elettriche che hanno versi opposti. FORZE TRA CORRENTI Per due fili molto più lunghi della distanza che li separa, vale la legge di AMPERE:
La forza che nasce tra due fili paralleli percorsi da due correnti elettriche di diversa intensità (i1 e i2) è direttamente proporzionale alle intensità delle correnti nei due fili ed è inversamente proporzionale alla distanza d tra essi. Secondo una costanza Km, l’intensità della forza dipende anche dalla lunghezza del filo. LEGGE DI AMPERE: F= Km x i1 x i2/ distanza x l F: la forza che agisce sul tratto del filo Km: mi0/2π PERMEABILITA’ MAGNETICA DEL VUOTO i1 e i2: correnti misurante in Ampere d: distanza misurata in metri l: lunghezza misurata in metri dove mi0= 4π x 10 -7^ N/A^2 (valore trovato sperimentalmente) Da questa legge si può ricavare la definizione dell’ampere. Il valore di mi0 è stato scelto per definire in modo operativo l’unità di misura della corrente elettrica:
una corrente elettrica ha l’intensità di 1A se, fatta circolare in due fili rettilinei e paralleli molto lunghi e distanti tra loro 1m, provoca tra essi una forza di intensità pari a 2 x 10-7^ N per ogni tratto di filo lungo 1 m. Infatti si ha: Ampere derivato dal Coulomb: 1A= 1C/1s L’ampere è un’unità di misura fondamentale del S.I. per definire l’intensità della corrente elettrica. DEFINIZIONE DI COULOMB: 1C= 1Ax 1s Un coulomb è la carica che attraversa, in un secondo, la sezione di filo percorso da una corrente d’intensità pari ad un ampere. La carica dell’elettrone vale: - e= 1,60 x 10-19C

LEGGE DI BIOT-SAVART

Fu determinata sperimentalmente nel 1820 dal fisico Biot e l’allievo Savart.

In un punto a distanza R da un filo rettilineo (molto lungo rispetto a R) in cui circola una corrente i, il valore del campo magnetico è direttamente proporzionale all’intensità della corrente che circola nel filo e inversamente proporzionale alla distanza tra il punto e il filo. Consideriamo un filo percorso da corrente elettrica e un punto P a una certa distanza dal filo. Si genera nel punto P un campo magnetico la cui intensità è uguale al prodotto di una costante K per l’intensità della corrente elettrica che circola nel filo, fratto la distanza che c’è tra il punto considerato e il filo. B= k x i/ d k= vale 2x10-7^ N/A^2 In un punto a distanza d da un filo percorso da una corrente i, il valore del campo magnetico B è dato dalla formula: B: campo magnetico (Tesla) mi0= permeabilità magnetica del vuoto (N/A2) i: intensità di corrente (A) d: distanza FORZA DI LORENTZ (Nobel per la fisica nel 1902) Se un campo magnetico esercita una forza su un conduttore percorso da corrente, ogni particella carica che si muove in un campo magnetico subisce una forza poiché la corrente è costituita da cariche in movimento. L’intensità della forza che agisce su una carica elettrica che si muove all’interno di un campo magnetico: F= q x v x B q: carica v: velocità della carica B: intensità del campo magnetico considerato.
direttamente proporzionale alla quantità di carica q
direttamente proporzionale alla velocità v della carica
direttamente proporzionale al modulo B dell’intensità del campo magnetico
perpendicolare sia a v e B _
maggiore è la quantità di carica, maggiore è la forza che nasce quando questa carica si muove all’interno del campo magnetico.
più veloce si muove la carica, maggiore è l’intensità della forza di Lorentz che nasce.
il verso della forza di Lorentz è perpendicolare sia al vettore velocità della carica che si sta muovendo, sia al vettore campo magnetico.

SOLENOIDE

Un solenoide è un filo conduttore avvolto a elica su una bobina. Se all’interno del filo avviene il passaggio di corrente elettrica, si genererà un campo magnetico, il quale sarà nullo all’esterno del solenoide e uniforme al suo interno, poiché le linee di campo sono tutte parallele tra loro. La sua intensità si calcola con: dove mi0: è la costante che rappresenta la permeabilità magnetica assoluta del vuoto i: intensità della corrente elettrica che circola in questo filo. N: il numero delle spire, ogni cerchio attorno al cilindro I: è la lunghezza del filo, ovvero del solenoide. L’intensità è direttamente proporzionale all’intensità della corrente elettrica che circola e al numero delle spire di cui è composto il solenoide ed è inversamente proporzionale alla lunghezza del filo (solenoide). La sua direzione è parallela all’asse di rotazione del solenoide; il verso del vettore campo magnetico si trova sempre con la regola della mano destra, si mettono le dita nel verso secondo il quale circola la corrente elettrica, il pollice indica il vettore campo magnetico. PROPRIETA’ MAGNETICHE DEI MATERIALI I materiali si comportano in modo particolare rispetto ai magneti. SOSTANZE FERROMAGNETICHE: Vengono attratte in maniera molto intensa dal magnete perché se vengono poste a contatto con un magnete, si magnetizzano. (cobalto, nichel, ferro e le loro leghe). B>> B0° SOSTANZE PARAMEGNETICHE: Sono sostanze che vengono debolmente attratte da una forza piuttosto blanda (aria e alluminio) B≥B0° SOSTANZE DIAMAGNETICHE: sono sostanze che vengono debolmente respinte dal campo magnetico (acqua, argento e rame) B≤B 0

LO SPIN DEGLI ELETTRONI

Ampere, occupandosi dei legami tra i fenomeni magnetici e quelli elettrici, aveva capito che il comportamento dei magneti permanenti era dovuto all’effetto di correnti elettriche microscopiche. Non era riuscito però a spiegare come fossemaro generate queste correnti. C’era qualcosa che poteva influenzare il campo magnetico esterno ed era dovuto al campo magnetico interno della sostanza considerata. scoperto nel 1924, è che ogni elettrone compie una rotazione intorno a se stesso, che è detta spin, cioè una proprietà intrinseca di tutte le particelle (meccanica quantistica). Il comportamento di questi materiali è dovuto allo spin degli elettroni. Quindi oltre a muoversi intorno al nucleo dell’atomo ruotano anche attorno a se stessi. IL MOTORE ELETTRICO Come applicazione di tutto questo (collegamento tra magnetismo e corrente elettrica) nacque il motore elettrico, una macchinamche consente il funzionamento di molti strumenti (elettrodomestici). È formato da un grande magnete, all’interno del quale viene posta una spira quadrata, che determina la rotazione di questa spira. Il tutto è alimentato da un alimentatore, come una pila, e la rotazione della spira mette in funzione il motore elettrico. C’è una trasformazione di energia elettrica in energia meccanica, però sfruttando il magnetismo che fa ruotare la spira e fa funzionare il motore elettrico. INDUZIONE ELETTROMAGNETICA La corrente continua (ha sempre le stesse caratteristiche: la stessa quantità di carica elettrica fluisce nella stessa sezione del conduttore nello stesso intervallo di tempo) genera un campo magnetico. Inizialmente si pensava che non potesse avvenire il contrario, cioè che un campo magnetico potesse generare la corrente elettrica. Altrimenti basterebbe una calamita a far funzionare un motore elettrico, quando ci vuole anche la corrente elettrica. Ma faraday dimostrò per primo nel 1831 che in particolari condizioni non stazionarie, cioè quando non c’è una corrente continua, nasce un fenomeno che si chiama induzione elettromagnetica nel quale, mediante un campo magnetico variabile, si ha la conduzione di una corrente elettrica in un circuito elettrico. In questo caso si parla di corrente elettrica indotta, cioè una corrente elettrica che percorre un circuito quando c’è un campo magnetico variabile. (il fenomeno mediante cui viene creata tale corrente è detto induzione elettromagnetica)

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