Magnetismo ed Elettromagnetismo

Magnetismo ed Elettromagnetismo

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Certe sostanze, alcune naturali (in particolare la magnetite da cui deriva il nome del fenomeno) altre: ferro e sue leghe, ghisa, acciaio, speciali leghe di alluminio, cobalto e nichel, dopo particolari trattamenti, hanno la proprietà di attirare il ferro: tale fenomeno prende nome di magnetismo (dalla città di Magnesia in Asia Minore; là si è trovato verosimilmente un minerale contenente ferro, i cui frammenti aderivano l’uno all’altro). I corpi solidi ottenuti con questi materiali, generalmente a forma di barrette o di ferro di cavallo, vengono chiamati calamite o magneti distinte in naturali e artificiali; a seconda che possiedano il magnetismo allo stato naturale, o solo dopo un trattamento di magnetizzazione. Proprietà fondamentale di ogni calamita è quella di presentare, alle estremità, due poli magnetici (polo nord e polo sud) nei quali l’azione attrattiva si manifesta in modo notevole mentre risulta nulla nella zona intermedia.

È chiamata polo nord (N) l’estremità della calamita che tende a volgersi costantemente verso il nord geografico, e polo sud (S) quella che tende a volgersi verso il sud geografico.

Se spezziamo un magnete in due, in quattro parti, otto parti, ecc…. ogni pezzo costituirà ancora un magnete completo, con un polo nord e un polo sud. Possiamo spiegare supponendo che ogni magnete sia formato da tanti magnetini elementari che internamente si compensano a due a due, mentre agli estremi manifestano le polarità magnetiche libere.

Al contrario di quanto visto per le cariche elettriche, i poli magnetici non possono essere isolati.

Se ora avviciniamo il polo nord di un magnete rettilineo ad un ago di una bussola, questo devia il suo asse magnetico disponendosi sulla direttrice dell’asse del magnete affacciandogli il polo sud.

Possiamo dunque dire che: i poli magnetici di nome diverso si attirano, mentre quelli dello stesso nome si respingono.

Sul magnete agisce evidentemente una forza che lo fa ruotare in una posizione ben determinata. La causa di questo fenomeno è il magnetismo terrestre. La terra si comporta come un grande magnete.

È un comportamento simile a quello visto per le cariche elettriche, vi sono anche altre analogie. Le forze attrattive e repulsive delle masse magnetiche infatti sono regolate da una formula analoga a quella della legge di Coulomb; in particolare diminuiscono con il quadrato della distanza fra i poli.

Dove F è la forza che si esercita tra due corpi e d la distanza reciproca. Il simbolo “µ”, significa, appunto, proporzionale a”.

Possiamo a questo punto definire l’esistenza di un campo magnetico in modo analogo a quelle elettrico:

Il campo magnetico è la regione dello spazio entro la quale si manifestano degli effetti magnetici (attrazione o repulsione di poli magnetici).

La sua rappresentazione avverrà mediante le linee di forza intese come le traiettorie segnate da una ipotetica particella carica del solo magnetismo nord, che si sposta nello spazio sotto l’azione del campo magnetico. Tali linee vengono chiamate linee di induzione magnetica.

Per convenzione stabiliamo che le linee di forza escano dal polo nord di un magnete, rientrino dal polo sud e attraversino il magnete andando verso il polo nord.

Riportiamo in Figura qualche esempio di rappresentazione delle linee di forza del campo magnetico.

L’accostamento con quanto visto per il campo elettrico è così ancora più evidente. Anzi per il campo magnetico la nozione di linea di forza è più facilmente comprensibile grazie alla possibilità di realizzare gli spettri magnetici. Basta a questo scopo porre sopra un foglio di carta della limatura di ferro e appoggiarvi sotto un magnete. Scuotendo leggermente il foglio, i vari pezzettini di ferro, magnetizzati per induzione diventano ciascuno un piccolo magnete, e si dispongono sul foglio parallelamente alle linee di forza che risultano in questo modo visibili.

Elettromagnetismo

Come constatò Ørsted nel 1820, il magnetismo è legato anche al passaggio di corrente in circuiti elettrici: elettromagnetismo.

Le proprietà dei magneti si possono realizzare anche in modo diverso, utilizzando dei circuiti elettrici percorsi da corrente.

Un ago magnetico posto in vicinanza di un conduttore percorso da corrente, infatti, devia e tende a disporsi normalmente al conduttore, e se si inverte il senso della corrente, si inverte pure la deviazione dell’ago magnetico. Dunque, la corrente elettrica crea nello spazio ad esso circostante un campo magnetico: circolare (come si può verificare con lo spettro magnetico) il cui senso delle linee di forza è legato al verso della corrente.

Torna utile riferirsi alla regola del cavatappi o di Maxwell che afferma: le linee di forza circolari hanno un verso corrispondente alla rotazione di un cavatappi che avanzi nello stesso senso della corrente.

Osserviamo che il conduttore percorso da corrente e le linee di forza magnetiche sono ortogonali fra loro, per cui risulta talvolta difficile darne una rappresentazione sulla carta.

Come si trova il campo magnetico di un solenoide?

Un solenoide è costituito da un conduttore che è avvolto a spirale intorno ad un nucleo. È quindi necessario ricavare prima il campo magnetico di un conduttore rettilineo, poi il campo magnetico di una singola spira e infine il campo magnetico di un solenoide.

Campo magnetico di un conduttore rettilineo

Si fa passare attraverso un conduttore rettilineo una corrente continua sufficientemente grande e si colloca un ago magnetico nelle sue vicinanze. Si rileva che l’ago magnetico, che precedentemente era in direzione Nord – Sud, assume ora un’altra direzione. Ciò significa che intorno al conduttore esiste un campo magnetico. Le linee di induzione possono essere nuovamente visualizzate per mezzo di limatura di ferro.

Si invertono i poli della corrente. L’ago magnetico ruota di 180°.

Il verso delle linee di induzione del campo magnetico creato da un conduttore attraversato da corrente dipende dal verso della corrente.

L’esperimento dimostra anche come il verso delle linee di induzione dipenda dal verso della corrente. Verso delle linee di induzione e verso della corrente costituiscono un sistema destrorso.

Regola:

se si pensa che una vite con filettatura destrorsa sia stata avvitata nel conduttore in direzione della corrente, il verso della filettatura indica il verso delle linee di induzione magnetica.

Per poter disegnare in piano il campo magnetico, si deve disegnare la superficie della sezione trasversale del conduttore. Il verso della corrente viene poi indicato come un cerchietto entro il quale si trova un punto, se la corrente sale dal foglio verso l’osservatore, ed una croce nel caso opposto. (Il punto rappresenta il terminale appuntito della freccia che indica il senso della corrente, mentre la croce la coda della freccia).

Campo magnetico di una spira

Il conduttore rettilineo viene piegato in forma di spira. Attraverso questa spira si fa passare corrente continua e si colloca nelle vicinanze un ago magnetico. Si constata che tale spira ha un polo Nord e un polo Sud.

Campo magnetico di un solenoide

Il formarsi del campo magnetico del solenoide percorso da corrente si può spiegare, quindi, nel seguente modo:

intorno ad ogni singolo conduttore si forma un campo magnetico concentrico. Tra due conduttori adiacenti i campi magnetici si compensano parzialmente, perché hanno direzioni opposte. Si forma un campo risultante in cui le linee di induzione escono da una delle parti terminali del solenoide ed entrano dalla parte opposta.

Negli schemi delle linee di induzione illustrati, la distanza delle singole linee aumenta con l’aumentare della distanza dal magnete o relativamente dal solenoide, poiché linee di induzione adiacenti tendono ad allontanarsi. La densità delle linee quindi diminuisce. I campi magnetici in cui la densità delle linee di induzione è diversa in punti diversi, si chiamano campi non uniformi. I campi magnetici, in cui la densità delle linee di induzione è uguale in ogni punto, si chiamano campi uniformi.

Le polarità di un solenoide sono stabilite dal senso della corrente che lo percorre, per cui invertendo la corrente mutano anche le polarità.

Il solenoide presenta una caratteristica particolare di notevole interesse: se poniamo al suo interno un nucleo di ferro, questo si magnetizza con polarità corrispondenti a quelle del solenoide, ottenendo così un magnete temporaneo molto intenso chiamato elettromagnete.

Le stesse polarità si trovano, a causa della magnetizzazione per induzione, anche se il nucleo non è all’interno ma vicino al solenoide, e sono, secondo la regola generale, contrarie per le parti vicine. Si esercita perciò una azione attrattiva che spinge il nucleo ad essere “succhiato” entro il solenoide e ad arrestarsi solo quando viene a trovarsi tutto all’interno del solenoide, avendo portato i suoi poli in corrispondenza a quelli di ugual nome del solenoide.

Se si vuole evitare l’effetto magnetico di un solenoide, si effettua un avvolgimento bifilare. In tal modo si hanno campi magnetici della stessa intensità ma di verso opposto, che si annullano.

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