Magnetismo: Campi, Forze e Proprietà dei Materiali

Magneti

Un magnete è qualsiasi sostanza che possiede o ha acquisito la proprietà di attirare ferro. Normalmente sono bastoncini magnetizzati o aghi di forma geometrica regolare e allungata.

Tipi di Magneti

• Calamite naturali. La magnetite è un potente magnete naturale e ha la proprietà di attrarre tutte le sostanze magnetiche. La sua proprietà di attrarre pezzi di ferro è naturale. Questa è composta da ossido di ferro. Le sostanze magnetiche sono quelle che sono attratte dalla magnetite.
• Magneti artificiali permanenti. Sono sostanze magnetiche che, per sfregamento con magnetite, diventano calamite e conservano a lungo la loro proprietà di attrazione.
• Magneti temporanei. Sono quelli che producono un campo magnetico solo quando una corrente elettrica li attraversa. Un esempio è l'elettromagnete.

Interazione tra Magneti

Poli magnetici di nome diverso si attraggono, quelli con lo stesso nome si respingono. Se un magnete viene rotto in pezzi, ognuno si comporta come un nuovo magnete e ha i suoi propri poli nord e sud. Quando si avvicina una calamita o un ago della bussola a un magnete, il polo sud dell'ago si orienta verso il polo nord del magnete a causa dell'attrazione tra entrambi. È impossibile separare i poli di un magnete.

Campo Magnetico

È la regione di spazio in cui agisce una forza su un ago magnetico o su un magnete. Un magnete altera lo spazio circostante: piccoli aghi magnetici o pezzi di ferro sono attratti dal magnete, ma non sentono alcun effetto in assenza del campo magnetico stesso. I campi magnetici sono rappresentati da linee di forza. Il campo è più forte nelle regioni vicine ai poli, dove le linee di forza sono più dense.

La Forza di Lorentz

Quando una carica elettrica in movimento si muove in una zona dove è presente un campo magnetico, oltre agli effetti disciplinati dalla legge di Coulomb, è soggetta all'azione di una forza. Supponiamo una carica Q che si muove a una velocità v all'interno di un campo magnetico B. Questo campo genera una forza F che agisce sulla carica Q. La forza può essere valutata con l'espressione: F = QvB (quando v è perpendicolare a B). Poiché la forza è il risultato di un prodotto vettoriale, essa è sempre perpendicolare sia alla velocità v che al campo magnetico B. Essendo perpendicolare alla velocità del carico, lo è anche alla sua traiettoria, in modo che la forza non compie lavoro sul carico. Ciò implica che non vi è alcun cambiamento nell'energia cinetica, ovvero non cambia il modulo della velocità. L'unica azione che si verifica quando la particella entra nel campo magnetico è una variazione della direzione della velocità, mentre il modulo rimane lo stesso.

Forze Magnetiche su Correnti

Una carica in movimento in presenza di un campo magnetico (prodotto da un magnete) sperimenta una forza magnetica F_m che devia la sua traiettoria. Poiché la corrente è un movimento continuo di cariche, un conduttore percorso da corrente subisce, per l'azione di un campo magnetico, l'effetto combinato delle forze magnetiche esercitate sulle singole cariche in movimento al suo interno.

Se il conduttore è rettilineo e di lunghezza l, l'espressione della forza magnetica diventa: F_m = I L B senθ, dove I è la corrente, L è la lunghezza del conduttore, B è l'intensità del campo e θ è l'angolo tra il vettore corrente (direzione del conduttore) e il campo. La suddetta equazione è nota come legge di Laplace. Può essere ottenuta sperimentalmente o dedotta dall'espressione F = QvB senθ per la forza magnetica su una carica in movimento.

Ammettendo che la corrente sia stazionaria, cioè costante, e considerando il movimento uniforme delle cariche, vale l'uguaglianza: qv = I L. Infatti, in tal caso v = L/t e I = q/t; eliminando la variabile t da entrambe le equazioni e uguagliando si ottiene L/v = q/I, equazione equivalente alla precedente.

La direzione e il verso della forza magnetica F_m si ottengono applicando la regola della mano sinistra, dove il pollice rappresenta la direzione della forza magnetica F_m, l'indice il campo magnetico B e il medio la corrente I (o la velocità v delle cariche positive).

Forza su un Anello Rettangolare

Un anello rettangolare percorso da corrente, quando è collocato all'interno di un campo magnetico (come quello prodotto da un magnete a ferro di cavallo), subisce una serie di azioni magnetiche che producono in esso un movimento di torsione o rotazione, fino a quando non è disposto parallelamente alla direzione del campo B (o direzione delle linee di forza).

L'applicazione della legge di Laplace ai segmenti dell'anello dà luogo a un momento torcente M = B I S senθ, dove B è l'intensità del campo, I la corrente, S l'area dell'anello e θ l'angolo tra il vettore normale all'area e il campo.

Quando l'anello ruota ed è orientato parallelamente al campo, il momento torcente diventa zero (θ=0 o θ=180°), il che spiega che questa posizione è di equilibrio.

Galvanometro a Bobina Mobile

È costituito da una bobina situata in un campo magnetico. La bobina è percorsa da corrente elettrica ed è dotata di una molla che si oppone alla sua rotazione.

Quando il momento torcente sulla bobina è bilanciato dall'opposizione esercitata dalla molla, la bobina si ferma a una certa angolazione, che dipende dall'intensità della corrente elettrica.

Caratteristiche:

• L'intensità massima o il valore massimo della corrente elettrica misurabile.
• Resistenza interna.

Ha due utilità:

• Amperometro: utilizzato per misurare direttamente l'intensità della corrente.
• Voltmetro: è collegato in serie a una resistenza.

Campo Magnetico Generato da Correnti

Ripetendo l'esperienza di Hans Christian Oersted con l'aiuto di limatura di ferro disposta su una tavola perpendicolare a un filo dritto, si osserva una struttura di linee di campo magnetico risultanti, formando cerchi concentrici che circondano il filo.

Il suo verso può essere determinato sostituendo le cariche convenzionali con piccole bussole. In questo caso si osserva che il polo nord di ogni bussola punta sempre nella direzione del vettore campo magnetico B. Questo corrisponde all'indicazione delle dita della mano destra chiusa attorno al filo, quando il pollice è orientato nel senso della corrente. Questa è la regola della mano destra, che mette in relazione la direzione della corrente con il verso delle linee di campo magnetico B creato da essa.

Sperimentazioni più accurate indicano che l'intensità del campo B dipende dalle caratteristiche dell'ambiente che circonda il filo percorso da corrente, essendo maggiore quanto più alta è la corrente I e quanto minore è la distanza r dal filo. Tutto ciò è racchiuso nella formula: B = (μ I) / (2πr), dove μ è una costante del mezzo chiamata permeabilità magnetica. Nel vuoto il suo valore è μ₀ = 4π × 10^-7 T m/A.

Il Campo Magnetico a Causa di un Anello Circolare

Lo studio dello spettro magnetico generato da una corrente circolare, completato dalle informazioni sul verso del campo fornite da piccole bussole, dimostra che le linee di campo si richiudono su se stesse attorno a ogni parte dell'anello, come se fosse composto da piccoli segmenti rettilinei.

Nel complesso, lo spettro magnetico risultante è simile a quello di un magnete rettilineo con i poli nord e sud.

Il 'lato nord' di una corrente circolare, considerata come un magnete, è quello da cui 'escono' le linee di forza, e il 'lato sud' è quello dove 'entrano' tali linee. La relazione tra la polarità magnetica di una spira e il senso della corrente che la percorre è stabilita dalla regola della mano destra, da cui deriva che: un lato è 'nord' quando, per un osservatore situato di fronte ad esso, la corrente (convenzionale) scorre in senso antiorario, e 'sud' nel caso opposto (senso orario).

Esperimenti sui fattori che influenzano il valore dell'intensità del campo B al centro dell'anello dimostrano che esso dipende dalle proprietà del mezzo circostante (espresse dalla sua permeabilità magnetica μ), dalla corrente I e dal raggio R dell'anello, come indicato dalla seguente equazione: B = (μ I) / (2R).

L'Origine del Magnetismo Naturale

Il fatto che i campi magnetici prodotti dai magneti fossero simili a quelli prodotti da correnti elettriche spinse Ampère a spiegare il magnetismo in termini di correnti elettriche.

Secondo il fisico francese, nei materiali esistono al loro interno microscopiche correnti elettriche circolari a resistenza zero e, quindi, a tempo indeterminato. Ciascuna di queste correnti elementari produce un campo magnetico la cui somma spiega tutte le proprietà magnetiche dei materiali.

La magnetizzazione del ferro fu spiegata da Ampère nel modo seguente: in questo tipo di materiale, un campo magnetico esterno può orientare parallelamente i flussi elementari, in modo che il materiale si comporti come un magnete. In base alle attuali conoscenze sulla composizione della materia, gli elettroni negli atomi si comportano effettivamente come piccoli anelli di corrente.

Insieme al suo moto orbitale attorno al nucleo, ogni elettrone compie una sorta di rotazione su se stesso chiamata spin. Entrambi i moti possono contribuire al magnetismo di ogni atomo e, di conseguenza, al magnetismo del materiale.

Al tempo di Ampère non si conosceva l'esistenza dell'elettrone. La sua ipotesi delle correnti circolari anticipò di tre quarti di secolo la moderna teoria atomica, e per questo può essere considerata un grande progresso scientifico.

Fenomeni Magnetici dei Materiali

Quando un materiale è sottoposto a un campo magnetico esterno, si manifestano 3 fenomeni magnetici principali:

• Diamagnetismo: È una variazione del raggio e della velocità di rotazione delle cariche negli atomi, che altera il momento magnetico di questi. Questo fenomeno si verifica in tutti gli atomi, ma è evidente solo quando il numero di elettroni è pari e la loro disposizione è tale che il momento magnetico totale dell'atomo è zero in assenza di campo esterno. Il campo magnetico all'interno di questi materiali è leggermente più basso del campo esterno. I materiali diamagnetici sono caratterizzati da una magnetizzazione debole e opposta al campo esterno.
• Paramagnetismo: Questo fenomeno si verifica in sostanze i cui atomi possiedono un momento magnetico proprio (non nullo), orientato casualmente in tutte le direzioni in assenza di campo esterno. Per questo motivo, tali sostanze sono considerate non magnetiche in condizioni normali. In presenza di un campo esterno, i momenti magnetici atomici tendono ad allinearsi con esso, rafforzandone l'azione. Questo fenomeno dipende dall'agitazione termica delle molecole e quindi dalla temperatura. I materiali paramagnetici sono facili da magnetizzare, ma perdono la magnetizzazione al cessare del campo esterno.
• Ferromagnetismo: Si verifica in solidi dove le interazioni interatomiche sono abbastanza forti da allineare spontaneamente i momenti magnetici atomici paralleli in regioni chiamate domini. Questi domini si orientano in presenza di un campo esterno, producendo una magnetizzazione molto più intensa rispetto al paramagnetismo. A differenza del paramagnetismo, la magnetizzazione ferromagnetica è molto più intensa e non scompare completamente con la temperatura (fino al punto di Curie).