Magnetismo: proprietà del campo, forze su cariche e correnti ed esperimenti storici

Magnetismo: proprietà fondamentali, forze e tappe storiche

Fe, Co, Ni sono metalli ferromagnetici e possono attrarre o respingere altri materiali magnetici.

Scoperte e osservazioni storiche

William Gilbert: osservò che il Polo Nord e il Polo Sud magnetici sono caratteristiche del magnete e propose che la Terra si comportasse come un grande magnete.

Primo magnete naturale osservato: la magnetite (ossido di ferro, Fe₃O₄) — nota anche come pietra magnetica (lodestone), segnalata anche in antichi resoconti cinesi.

Cariche e campi:

• Carica a riposo produce un campo elettrico.
• Carica in movimento produce un campo magnetico (effetto elettromagnetico).
• Analogie: carica elettrica <–> campo elettrico; massa <–> campo gravitazionale; magnete <–> campo magnetico.

1831 — Michael Faraday: introdusse il concetto di linee di forza per descrivere il comportamento dei campi e spiegare come forze possano agire a distanza tramite il campo.

Pietro de Maricourt (Petrus Peregrinus): notò che i poli magnetici esistono sempre in coppia; non esistono monopoli magnetici isolati nella pratica.

Proprietà del campo magnetico

1. Direzione delle linee: le linee del campo magnetico escono dal polo nord e rientrano nel polo sud magnetico.
2. Intensità del campo: la forza del campo magnetico è proporzionale al numero di linee di campo per unità di superficie (densità di flusso).
3. Vettore B: il vettore campo magnetico B è tangente alla linea di campo nel punto considerato.
4. Linee non si intersecano: le linee di campo magnetico non si incrociano mai.
5. Linee chiuse: le linee di campo magnetico sono chiuse e non hanno interruzioni sulla superficie di un magnete (assenza di monopoli).

Hans Christian Ørsted: scoprì che una corrente elettrica può produrre un campo magnetico e deviare un ago magnetico nelle sue vicinanze — fenomeno noto come effetto di Ørsted.

André-Marie Ampère: dimostrò che due conduttori percorsi da corrente possono attrarsi o respingersi come due magneti; formulò l'idea che il magnetismo sia dovuto a correnti a livello microscopico (correnti molecolari).

Michael Faraday: concluse che variazioni del campo magnetico possono generare corrente elettrica (induzione elettromagnetica).

Anni 1860 — James Clerk Maxwell: sviluppò l'elettromagnetismo teorico mostrando che campi elettrici variabili possono generare campi magnetici e viceversa, riunificando elettricità e magnetismo nelle sue equazioni.

Forza di Lorentz: quando una particella carica entra in una regione dove è presente un campo magnetico (omogeneo), subisce una forza detta forza di Lorentz, che deflette la traiettoria della particella. La forza è data da F = q (v × B) (con v velocità della particella, q carica elettrica, B vettore campo magnetico).

Esperimento di J.J. Thomson

Esperimento (1897) — J.J. Thomson: con il tubo a raggi catodici determinò sperimentalmente il rapporto tra carica e massa dell'elettrone (q/m), noto come carica specifica dell'elettrone.

Quando un fascio di elettroni è sottoposto a un campo magnetico uniforme, sperimenta una deviazione dovuta alla forza magnetica. Poiché la traiettoria del fascio è curva, la forza magnetica che agisce sul fascio è uguale alla forza centripeta che tiene gli elettroni sulla traiettoria circolare; da ciò si ricava la seguente relazione:

q/m = 2 V / (B² R²)

Valore sperimentale (modulo) per l'elettrone: q/m ≈ 1,76 × 10¹¹ C/kg.

Forza magnetica su una corrente elettrica

Per un conduttore rettilineo di lunghezza L percorso da una corrente I, disposto perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme B, la forza magnetica che agisce sul conduttore ha modulo:

F = I L B

Se la direzione del conduttore non è perpendicolare a B, si usa il prodotto vettoriale: F = I (L × B) (dove L è il vettore lunghezza orientato secondo la corrente).

Forza magnetica tra due conduttori paralleli

Quando due fili lunghi e rettilinei, paralleli tra loro, sono percorsi da correnti elettriche, essi si esercitano forze di attrazione o repulsione dovute all'interazione tra i campi magnetici generati. Per un conduttore rettilineo infinito che porta corrente I₁, l'intensità del campo magnetico a distanza r è:

B₁ = μ₀ I₁ / (2 π r)

Se un secondo conduttore parallelo, della stessa lunghezza L, porta una corrente I₂ e si trova a distanza r, la forza per unità di lunghezza tra i due conduttori è:

F / L = μ₀ I₁ I₂ / (2 π r)

Dunque il modulo della forza totale su un segmento di lunghezza L è:

F = (μ₀ I₁ I₂ / (2 π r)) · L

dove μ₀ è la permeabilità magnetica del vuoto.

Note aggiuntive

• Ho corretto nomi, date e formule per riflettere la terminologia e i risultati fisici comunemente accettati (ad es. magnetite = Fe₃O₄, esperimento di J.J. Thomson nel 1897, uso di μ₀ e 2π nelle formule dei fili infiniti).
• Tutte le informazioni originali sono state mantenute e riorganizzate per chiarezza e leggibilità.