Elettromagnetismo e Campo Magnetico: Principi, Storia e Applicazioni

Campo magnetico

Possiamo affermare che esiste un campo magnetico in un punto vicino a una sorgente magnetica (o a corpi magnetizzati percorsi da corrente) se viene esercitata una forza, diversa da quella dovuta al campo elettrico, su una particella carica in movimento attraverso quel punto.

Oersted sostenne che gli effetti magnetici derivano dal movimento di cariche elettriche; Faraday e Henry dimostrarono che la corrente elettrica può essere ottenuta muovendo i magneti.

Storia dell'elettromagnetismo

Una parte della storia dell'elettromagnetismo risale ai cinesi, i quali suggeriscono che l'elettromagnetismo fosse noto già all'inizio del 2000 a.C. Un'altra parte della storia risale agli antichi greci, che osservarono fenomeni elettrici e magnetici forse già nel 700 a.C. Si constatò che un pezzo di ambra strofinato poteva essere elettrizzato e attirare pezzi di paglia o piume. L'esistenza della forza magnetica fu notata osservando che pezzi di roccia naturale chiamata magnetite attirano il ferro. (La parola elettricità deriva dal greco elektron, che significa ambra. La parola magnete deriva dal nome di una regione della Grecia settentrionale dove fu scoperto, la Magnesia).

Cenni storici

Con la scoperta di questo fenomeno, Faraday e Henry introdussero una certa simmetria nel mondo dell'elettromagnetismo. Maxwell riunì in un'unica teoria le conoscenze di base su elettricità e magnetismo. La sua teoria elettromagnetica previde, prima che venisse osservata sperimentalmente, l'esistenza delle onde elettromagnetiche. Hertz ne dimostrò l'esistenza, dando inizio all'era delle telecomunicazioni per l'umanità.

Nel 1819 Hans Christian Oersted, professore di fisica presso l'Università di Copenaghen, scoprì che avvicinando una bussola a un conduttore elettrico percorso da corrente, l'ago magnetico si muoveva posizionandosi perpendicolarmente alla direzione del conduttore. La scoperta che una corrente elettrica genera un campo magnetico stimolò la fantasia dei fisici dell'epoca e aumentò il numero di esperimenti alla ricerca di nuove relazioni tra elettricità e magnetismo.

Era noto anche, attraverso gli studi di Ampère, che in alcuni materiali come la magnetite, le calamite e le bussole, le proprietà magnetiche derivano dall'esistenza di correnti microscopiche. In questo ambiente scientifico emerse presto l'idea inversa: produrre corrente elettrica a partire dai campi magnetici. Alcuni fisici famosi e meno noti furono sul punto di dimostrare sperimentalmente che la natura assecondava questa splendida idea. In effetti, Joseph Henry, fisico americano, scoprì l'induzione elettromagnetica un anno prima di Faraday, ma rese pubblica la sua scoperta solo pochi mesi dopo rispetto a Faraday, motivo per cui la scoperta è attribuita a quest'ultimo. Le correnti elettriche prodotte dai campi magnetici furono chiamate da Faraday correnti indotte. Da allora, il fenomeno che consiste nella generazione di campi elettrici a partire da campi magnetici è chiamato induzione elettromagnetica.

Il magnete

Si tratta di un corpo che ha la proprietà di attrarre la limatura di ferro, la quale si orienta nello spazio circostante.

Poli di un magnete

I poli di un magnete sono le aree di una calamita in cui la magnetizzazione è più intensamente concentrata.

La Terra possiede un campo magnetico con poli nord e sud. Il campo magnetico terrestre si estende fino a 36.000 miglia nello spazio ed è circondato da una regione chiamata magnetosfera.

La magnetosfera impedisce alla maggior parte delle particelle provenienti dal Sole, che si muovono con il vento solare, di scontrarsi direttamente con la Terra.

Come si genera il campo magnetico terrestre?

Il nucleo esterno della Terra è liquido. Si tratta di un magma molto caldo, un materiale conduttore. Mentre il pianeta ruota, ruota anche il magma, sebbene non in modo uniforme. La rotazione non uniforme di un materiale conduttore crea un effetto dinamo, ed è ciò che dà origine al campo magnetico terrestre, il quale possiede un polo nord e un polo sud. Nel corso della storia geologica, questi poli si sono invertiti: il Polo Nord è diventato il Polo Sud e viceversa.

Alcune particelle del vento solare possono penetrare nella magnetosfera. Queste particelle danno origine allo spettacolo luminoso delle aurore polari.

Il Sole e gli altri pianeti possiedono una magnetosfera, ma la Terra ha la più forte tra tutti i pianeti rocciosi. I poli magnetici nord e sud della Terra si invertono a intervalli irregolari di centinaia di migliaia di anni.

Eppure ci sono ancora molte domande irrisolte sul campo magnetico terrestre, su come la sua intensità sia aumentata o diminuita nel corso dei millenni, su come avvenga il cambio di polarità (il polo nord magnetico che si trasforma in polo sud magnetico e viceversa) e su come esso persista nel tempo.

La teoria più accettata è quella dell'effetto dinamo (simile a un generatore) nel nucleo esterno liquido della Terra. Innanzitutto, si noti che la Terra si comporta come un magnete gigante situato al suo centro, il cui asse è inclinato di circa 11° rispetto all'asse di rotazione, creando linee di forza che entrano nel polo nord magnetico (situato vicino al Polo Nord geografico) per poi penetrare nella Terra ed emergere dal polo sud magnetico.

L'effetto dinamo

L'effetto dinamo è una teoria geofisica che spiega l'origine del campo magnetico principale della Terra come una dinamo ad autoeccitazione (o autosufficiente). In questo meccanismo, il movimento del fluido nel nucleo esterno della Terra sposta il materiale conduttore (ferro liquido) attraverso un campo magnetico debole preesistente, generando una corrente elettrica (il calore derivante dal decadimento radioattivo nel nucleo induce moti convettivi). La corrente elettrica produce un campo magnetico che interagisce con il fluido per creare un campo magnetico secondario. Insieme, entrambi i campi sono più intensi di quello originale e si allineano essenzialmente lungo l'asse di rotazione della Terra.

La teoria della dinamo fu formulata dal fisico di origine tedesca Walter M. Elsasser e dal geofisico britannico Edward Bullard a metà del 1900. Sebbene siano stati proposti altri meccanismi per generare il campo magnetico, oggi solo il concetto di dinamo viene preso seriamente in considerazione.

Ma cos'è il magnetismo?

Fino al 1821 era nota solo una forma di magnetismo, quella prodotta dai magneti di ferro. Successivamente, lo scienziato danese Hans Christian Oersted, mostrando ad alcuni amici il flusso di corrente elettrica in un filo, si accorse che la corrente faceva deviare l'ago di una bussola posta nelle vicinanze. Il nuovo fenomeno fu studiato in Francia da André-Marie Ampère, il quale concluse che la natura del magnetismo era molto diversa da quanto si pensasse fino ad allora. Si trattava fondamentalmente di una forza tra correnti elettriche: due correnti parallele concordi si attraggono, mentre si respingono se sono discordi. I magneti di ferro sono un caso molto speciale, che anche Ampère fu in grado di spiegare. In natura, i campi magnetici sono prodotti nei gas rarefatti dello spazio, nel calore incandescente delle macchie solari e nel nucleo fuso della Terra. Il magnetismo in questione deve essere prodotto da correnti elettriche, ma rimane una grande sfida comprendere appieno come si generino tali flussi.

Carica magnetica (q*)

È una grandezza scalare associata a un polo magnetico che misura direttamente la quantità di magnetismo posseduta (espressa in Ampere-metro, A·m).

Legge qualitativa: Due poli della stessa natura si respingono, mentre poli di natura diversa si attraggono.

Legge quantitativa (Legge di Coulomb per il magnetismo): Due cariche magnetiche si attraggono o si respingono con una forza di uguale intensità e direzione, ma di verso opposto, il cui valore è direttamente proporzionale al prodotto delle loro cariche magnetiche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa.

Il campo magnetico (Induzione magnetica)

È una grandezza vettoriale; in ogni punto del campo magnetico, definisce la forza che agisce su un'unità di carica magnetica (polo nord di prova) posta in quel punto.

Il vettore fondamentale del campo magnetico è rappresentato da , viene chiamato induzione magnetica e può essere rappresentato graficamente tramite le linee di induzione. Il vettore campo magnetico è legato alle linee di induzione secondo le seguenti proprietà:

• La tangente a una linea di induzione in un dato punto indica la direzione di in quel punto.
• Le linee di induzione sono tracciate in modo che il numero di linee per unità di superficie della sezione trasversale (perpendicolare alle linee) sia proporzionale all'intensità di . Nei punti in cui le linee sono molto concentrate, è grande, mentre dove sono molto distanti, è molto piccolo.
• L'intensità del campo magnetico in un punto P è definita da un vettore che soddisfa la seguente relazione:

Dove: q = carica positiva di prova

V = velocità della carica.

Dove: e

L'unità di misura di nel Sistema Internazionale (SI) è il tesla (T):

1 Tesla = 1 Wb / m² = 1 N / (A · m)

Equazione di Lorentz (Forza di Lorentz)

Se una particella di carica q si muove in presenza di un campo elettrico e di un campo magnetico , subisce una forza complessiva data da:

Forza magnetica su un conduttore percorso da corrente

è il vettore spostamento lungo il filo, orientato nella direzione della corrente elettrica.

Coppia di forze su una spira percorsa da corrente

La figura mostra una spira (o bobina) percorsa da una corrente I immersa in un campo magnetico esterno uniforme.

Il momento torcente su una singola spira è:

Il momento torcente su una bobina di N spire è:

Dove A = ab (area della spira).

In forma vettoriale, il momento torcente su una spira può essere espresso come:

Dove: u = m · a, è chiamato il momento di dipolo magnetico, diretto lungo l'asse perpendicolare al piano della spira; il suo verso si determina applicando la regola della mano destra.

L'energia potenziale magnetica in una determinata posizione è definita come il lavoro che deve essere compiuto da un agente esterno per ruotare il dipolo dalla posizione di energia zero ( ) a una generica posizione . Pertanto:

In forma vettoriale:

Moto di una carica in un campo magnetico

La figura mostra una particella carica negativamente che entra con velocità in un campo magnetico uniforme .

Se e sono perpendicolari, applicando la seconda legge di Newton si ottiene:

r = raggio della traiettoria circolare

La velocità angolare è:

La frequenza f è determinata da:

Essa viene talvolta chiamata frequenza di ciclotrone della particella nel campo, poiché è la frequenza con cui le particelle orbitano all'interno di un ciclotrone.

Il ciclotrone

Si tratta di un dispositivo utilizzato per accelerare particelle cariche, come nuclei di idrogeno (protoni) o di idrogeno pesante (deuteroni), ad alte energie, affinché possano essere impiegate in esperimenti di collisione nucleare.

Gli elementi essenziali di un ciclotrone sono: un elettromagnete, due camere metalliche cave a forma di D (chiamate "D" o "dee"), collegate a un oscillatore elettrico ad alta frequenza che fornisce una differenza di potenziale acceleratrice nell'intercapedine tra di esse, e una sorgente di ioni S al centro.

Le camere a D sono immerse in un campo magnetico uniforme perpendicolare al loro piano (uscente dal piano della figura).

La chiave del funzionamento del ciclotrone è che la frequenza di rivoluzione f dello ione nel campo magnetico deve essere esattamente uguale alla frequenza di oscillazione elettrica f_o applicata alle D (condizione di risonanza), ossia:

Sotto la condizione di risonanza:

L'energia cinetica massima delle particelle prodotte nel ciclotrone dipende dal raggio esterno "R" delle camere a D. La velocità delle particelle che descrivono questa traiettoria massima è determinata da:

Pertanto, la loro energia cinetica massima è: