CAMPO MAGNETICO: INTENSITÀ, CARATTERISTICHE, SORGENTI, ESEMPI - FISICO - 2024

Il campo magnetico è l'influenza che le cariche elettriche in movimento hanno sullo spazio che le circonda. Le cariche hanno sempre un campo elettrico, ma solo quelle in movimento possono generare effetti magnetici.

L'esistenza del magnetismo è nota da molto tempo. Gli antichi greci descrivevano un minerale capace di attirare piccoli pezzi di ferro: era la magnetite o magnetite.

Figura 1. Campione di magnetite. Fonte: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

I saggi Talete di Mileto e Platone erano impegnati a registrare gli effetti magnetici nei loro scritti; a proposito, conoscevano anche l'elettricità statica.

Ma il magnetismo non è stato associato all'elettricità fino al XIX secolo, quando Hans Christian Oersted ha osservato che la bussola deviava in prossimità di un filo conduttore che trasportava corrente.

Oggi sappiamo che elettricità e magnetismo sono, per così dire, due facce della stessa medaglia.

Campo magnetico in fisica

In fisica, il termine campo magnetico è una quantità vettoriale, con modulo (il suo valore numerico), direzione nello spazio e senso. Ha anche due significati. Il primo è un vettore a volte chiamato induzione magnetica ed è indicata con B .

L'unità di B nel Sistema internazionale di unità è il tesla, abbreviato T. L'altra quantità chiamata anche campo magnetico è H , nota anche come intensità del campo magnetico e la cui unità è ampere / metro.

Entrambe le quantità sono proporzionali, ma vengono definite in questo modo per tenere conto degli effetti che i materiali magnetici hanno sui campi che li attraversano.

Se un materiale viene posizionato al centro di un campo magnetico esterno, il campo risultante dipenderà da questo e anche dalla risposta magnetica del materiale stesso. Ecco perché B e H sono correlati da:

B = μ _m H

Qui μ _m è una costante che dipende dal materiale e ha unità adatte in modo che quando si moltiplica per H il risultato è tesla.

C

-Il campo magnetico è una grandezza vettoriale, quindi ha ampiezza, direzione e senso.

-L'unità di misura del campo magnetico B nel Sistema Internazionale è il tesla, abbreviato in T, mentre H è ampere / metro. Altre unità che compaiono frequentemente in letteratura sono il gauss (G) e l'oersted.

-Le linee di campo magnetico sono sempre anelli chiusi, che lasciano un polo nord e entrano in un polo sud. Il campo è sempre tangente alle linee.

-I poli magnetici sono sempre presentati in coppia Nord-Sud. Non è possibile avere un polo magnetico isolato.

-Proviene sempre dal movimento di cariche elettriche.

-La sua intensità è proporzionale all'entità del carico o alla corrente che lo produce.

-L'intensità del campo magnetico diminuisce con l'inverso del quadrato della distanza.

-I campi magnetici possono essere costanti o variabili, sia nel tempo che nello spazio.

-Un campo magnetico è in grado di esercitare una forza magnetica su una carica in movimento o su un filo che trasporta corrente.

Poli di un magnete

Una barra magnetica ha sempre due poli magnetici: il polo nord e il polo sud. È molto facile verificare che i poli dello stesso segno respingono, mentre quelli di tipo diverso si attraggono.

Questo è abbastanza simile a quello che accade con le cariche elettriche. Si può anche osservare che più sono vicini, maggiore è la forza con cui si attraggono o si respingono a vicenda.

I magneti a barra hanno un motivo distintivo di linee di campo. Sono curve strette, che lasciano il polo nord e entrano nel polo sud.

Figura 2. Linee del campo magnetico di una barra magnetica. Fonte: Wikimedia Commons.

Un semplice esperimento per osservare queste linee consiste nello spargere la limatura di ferro sopra un foglio di carta e posizionare una barra magnetica sotto.

L'intensità del campo magnetico è data in funzione della densità delle linee di campo. Questi sono sempre più densi vicino ai poli e si diffondono mentre ci allontaniamo dal magnete.

Il magnete è anche noto come dipolo magnetico, in cui i due poli sono precisamente i poli magnetici nord e sud.

Ma non possono mai essere separati. Se tagli il magnete a metà, ottieni due magneti, ciascuno con i rispettivi poli nord e sud. I poli isolati sono chiamati monopoli magnetici, ma ad oggi nessuno è stato isolato.

fonti

Si può parlare di varie sorgenti di campo magnetico. Si va dai minerali magnetici, attraverso la Terra stessa, che si comporta come un grande magnete, agli elettromagneti.

Ma la verità è che ogni campo magnetico ha la sua origine nel movimento di particelle cariche.

Più avanti vedremo che la sorgente primordiale di tutto il magnetismo risiede nelle minuscole correnti all'interno dell'atomo, principalmente quelle che si producono a causa dei movimenti degli elettroni attorno al nucleo e degli effetti quantistici presenti nell'atomo.

Tuttavia, per quanto riguarda la sua origine macroscopica, si può pensare a fonti naturali e fonti artificiali.

Le sorgenti naturali in linea di principio non "si spengono", sono magneti permanenti, tuttavia bisogna tener conto che il calore distrugge il magnetismo delle sostanze.

Per quanto riguarda le sorgenti artificiali, l'effetto magnetico può essere soppresso e controllato. Quindi abbiamo:

-Magneti di origine naturale, costituiti da minerali magnetici come magnetite e maghemite, entrambi ossidi di ferro, per esempio.

-Correnti elettriche ed elettromagneti.

Minerali magnetici ed elettromagneti

In natura esistono vari composti che presentano notevoli proprietà magnetiche. Sono in grado di attirare pezzi di ferro e nichel, ad esempio, così come altri magneti.

Gli ossidi di ferro citati, come la magnetite e la maghemite, sono esempi di questa classe di sostanze.

La suscettibilità magnetica è il parametro utilizzato per quantificare le proprietà magnetiche delle rocce. Le rocce ignee di base sono quelle con la più alta suscettibilità, a causa del loro alto contenuto di magnetite.

D'altra parte, finché hai un filo che trasporta corrente, ci sarà un campo magnetico associato. Qui abbiamo un altro modo per generare un campo, che in questo caso assume la forma di cerchi concentrici con il filo.

La direzione del movimento del campo è data dalla regola del pollice destro. Quando il pollice della mano destra punta nella direzione della corrente, le quattro dita rimanenti indicheranno la direzione in cui sono piegate le linee di campo.

Figura 3. Regola del pollice destro per ottenere la direzione e il senso del campo magnetico. Fonte: Wikimedia Commons.

Un elettromagnete è un dispositivo che produce magnetismo dalle correnti elettriche. Ha il vantaggio di potersi accendere e spegnere a piacimento. Quando la corrente cessa, il campo magnetico scompare. Inoltre è possibile controllare anche l'intensità del campo.

Gli elettromagneti fanno parte di vari dispositivi, inclusi altoparlanti, dischi rigidi, motori e relè, tra gli altri.

Forza magnetica su una carica in movimento

L'esistenza di un campo magnetico B può essere verificata mediante una carica elettrica di prova -dichiamata q- e che si muove con velocità v . Per questo è esclusa, almeno per il momento, la presenza di campi elettrici e gravitazionali.

In tal caso, la forza sperimentata dalla carica q, che è indicata come F _B , è interamente dovuta all'influenza del campo. Qualitativamente, si osserva quanto segue:

-L'ampiezza di F _B è proporzionale a qe una velocità v.

-Se v è parallelo al vettore del campo magnetico, l'ampiezza di F _B è zero.

-La forza magnetica è perpendicolare sia a v che a B.

-Infine, l'ampiezza della forza magnetica è proporzionale a sin θ, dove θ è l'angolo tra il vettore velocità e il vettore del campo magnetico.

Tutto quanto sopra è valido sia per gli addebiti positivi che per quelli negativi. L'unica differenza è che la direzione della forza magnetica è invertita.

Queste osservazioni concordano con il prodotto vettoriale tra due vettori, in modo che la forza magnetica sperimentata da una carica puntiforme q, che si muove con velocità v nel mezzo di un campo magnetico è:

F _B = q v x B

Di chi è il modulo:

Figura 4. Regola della mano destra per la forza magnetica su una carica puntiforme positiva. Fonte: Wikimedia Commons.

Come viene generato un campo magnetico?

Esistono diversi modi, ad esempio:

-Magnetizzando una sostanza appropriata.

- Passaggio di una corrente elettrica attraverso un filo conduttivo.

Ma l'origine del magnetismo nella materia si spiega ricordando che deve essere associato al movimento delle cariche.

Un elettrone in orbita attorno al nucleo è essenzialmente un minuscolo circuito di corrente chiuso, ma in grado di contribuire in modo sostanziale al magnetismo dell'atomo. Ci sono moltissimi elettroni in un pezzo di materiale magnetico.

Questo contributo al magnetismo dell'atomo è chiamato momento magnetico orbitale. Ma c'è di più, perché la traduzione non è l'unico movimento dell'elettrone. Ha anche un momento di rotazione magnetico, un effetto quantistico la cui analogia è quella di una rotazione dell'elettrone sul suo asse.

In effetti, il momento magnetico di rotazione è la causa principale del magnetismo di un atomo.

tipi

Il campo magnetico è in grado di assumere molte forme, a seconda della distribuzione delle correnti che lo originano. A sua volta, può variare non solo nello spazio, ma anche nel tempo, o entrambi allo stesso tempo.

-In prossimità dei poli di un elettromagnete è presente un campo approssimativamente costante.

-Anche all'interno di un solenoide si ottiene un campo ad alta intensità ed uniforme, con le linee di campo dirette lungo l'asse assiale.

-Il campo magnetico della Terra si avvicina abbastanza bene al campo di una barra magnetica, specialmente in prossimità della superficie. Più lontano, il vento solare modifica le correnti elettriche e le deforma sensibilmente.

-Un filo che trasporta corrente ha un campo sotto forma di cerchi concentrici con il filo.

Per quanto riguarda se il campo può variare o meno nel tempo, abbiamo:

-Campi magnetici statici, quando né la loro grandezza né la loro direzione cambiano nel tempo. Il campo di una barra magnetica è un buon esempio di questo tipo di campo. Anche quelli che provengono da fili che trasportano correnti stazionarie.

-Campi variabili nel tempo, se una qualsiasi delle loro caratteristiche varia nel tempo. Un modo per ottenerli è da generatori di corrente alternata, che sfruttano il fenomeno dell'induzione magnetica. Si trovano in molti dispositivi di uso comune, ad esempio i telefoni cellulari.

Legge di Biot-Savart

Quando è necessario calcolare la forma del campo magnetico prodotto da una distribuzione di correnti, si può utilizzare la legge di Biot-Savart, scoperta nel 1820 dai fisici francesi Jean Marie Biot (1774-1862) e Felix Savart (1791-1841). ).

Per alcune distribuzioni di corrente con geometrie semplici, è possibile ottenere direttamente un'espressione matematica per il vettore del campo magnetico.

Supponiamo di avere un segmento di filo di lunghezza differenziale dl che trasporta una corrente elettrica I. Si presume che anche il filo sia nel vuoto. Il campo magnetico che produce questa distribuzione:

-Diminuisce con l'inverso del quadrato della distanza dal filo.

-È proporzionale all'intensità della corrente I che passa attraverso il filo.

-La sua direzione è tangenziale alla circonferenza di raggio r centrata sul filo e la sua direzione è data dalla regola del pollice destro.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B è un differenziale di campo magnetico.

- I è l'intensità della corrente che scorre attraverso il filo.

- r è la distanza tra il centro del filo e il punto in cui vuoi trovare il campo.

-r è il vettore che va dal filo al punto in cui vuoi calcolare il campo.

Esempi

Di seguito sono riportati due esempi di campo magnetico e le loro espressioni analitiche.

Campo magnetico prodotto da un filo rettilineo molto lungo

Mediante la legge di Biot-Savart si ottiene il campo prodotto da un filo conduttore finito sottile che trasporta una corrente I. Integrando lungo il conduttore e prendendo nel caso limite in cui è molto lungo, l'ampiezza del campo risultato:

Campo creato dalla bobina di Helmholtz

La bobina di Helmholtz è composta da due bobine circolari identiche e concentriche, alle quali viene trasmessa la stessa corrente. Servono a creare un campo magnetico approssimativamente uniforme al suo interno.

Figura 5. Schema delle bobine di Helmholtz. Fonte: Wikimedia Commons.

La sua grandezza al centro della bobina è:

Y è diretto lungo l'asse assiale. I fattori dell'equazione sono:

- N rappresenta il numero di spire delle bobine

- I è l'entità della corrente

- μ _o è la permeabilità magnetica del vuoto

- R è il raggio delle bobine.

Riferimenti

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 1. Cinematica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
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5. Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 2. 7th. Ed. Cengage Learning.
7. Università di Vigo. Esempi di magnetismo. Estratto da: quintans.webs.uvigo.es