LEZIONE 10 IL MAGNETISMO

Continuano le lezioni: Il magnetismo è il ramo della fisica che studia le interazioni magnetiche tra corpi e le proprietà della materia connesse a tali fenomeni.

MAGNETISMO

Il magnetismo è il ramo della fisica che studia le interazioni magnetiche tra corpi e le proprietà della materia connesse a tali fenomeni. Forze di carattere magnetico si manifestano tra cariche elettriche in movimento, quindi esiste una stretta relazione tra elettricità e magnetismo. Vedremo che elettricità e magnetismo non sono due entità separate, ma sono legate tra loro: elettromagnetismo.

Fin dall’antichità era noto che alcune pietre avevano la proprietà “ spontanea” di attrarsi tra di loro,  (magneti o calamite) e questi a sua volta attraevano altri pezzi come ferro e altre leghe.

La proprietà di attrazione che avevano queste pietre non poteva essere eliminata in alcun modo, si arrivò alla conclusione che il magnetismo è una caratteristica permanente della materia.

Questo fenomeno, lo si può notare facilmente se prendiamo una calamita e la tagliamo a metà, la proprietà di attrarre riamane in entrambi i pezzi ottenuti, quasi per magia. 

Se avviciniamo un pezzo di acciaio ad una calamita, dopo un certo tempo diventa anch’esso calamita. Lo stesso ago delle comuni bussole non è altro un ago semplice a cui è stato avvicinato un magnete ed è diventato calamitato. In passato si notò subito che l’ago se lasciato libero di muoversi assume rispetto alla Terra una posizione bene precisa Nord-Sud.

Un’osservazione importante a questo punto va fatta: l’estremo dell’ago di una bussola che si orienta verso Nord viene detto POLO NORD e analogamente l’altro estremo dell’ago che si orienta verso Sud viene detto PLO SUD, se avviciniamo una calamita a un ago di un bussola notiamo che l’ago si gira e si orienta come se venisse attratto, il polo Sud di una calamita, e il polo Sud di un magnete si respingono mentre il poli sud di una calamita con il polo Nord di un magnete si attraggono, in conclusione possiamo dire che i poli con il solito nome si respingono e i poli di nomi diversi si attraggono.

Il polo Nord di una calamita orientato verso Nord è attratto in realtà dal polo sud della Terra situato in prossimità del polo Nord geografico, questo testimonia l’esistenza di un campo magnetico dovuto al magnetismo della Terra, come esiste un campo gravitazionale terrestre dovuto alla massa della Terra.

IL Campo Magnetico

L’interazione tra due magneti s’interpreta in uguale modo alle forze gravitazionali ed elettriche come azione del campo magnetico generato da un magnete ed agente su un altro magnete.

Oggetti magnetizzati o fili percorsi da correnti elettriche interagiscono con forze di natura magnetica. Queste forze possono essere descritte mediante il concetto di campo

magnetico. L’andamento delle linee di forza di un campo magnetico dipende dalla forma geometrica e dalle caratteristiche del magnete o del sistema di fili conduttori percorsi da corrente che lo generano.

Oltre che su materiali magnetici, il campo magnetico agisce su particelle cariche in moto. Quando una particella si muove attraverso un campo magnetico, è soggetta a una forza, detta forza di Lorentz, (diretta perpendicolarmente sia alla direzione del campo, che alla velocità della particella). Per l’azione della forza di Lorentz, la traiettoria di una particella carica all’interno di un campo magnetico viene incurvata e, in assenza di altre forze, risulta circolare. Questa proprietà viene sfruttata per esempio negli acceleratori di particelle .

Al fisico James Clerk Maxwell si deve la formulazione teorica dell’elettromagnetismo sintetizzata nelle famose quattro equazioni ( di cui noi riportiamo per conoscenza senza dimostrarle) che descrivono molto bene fenomeni elettrici e magnetici. Egli predisse inoltre l’esistenza delle onde elettromagnetiche e riconobbe la natura elettromagnetica della luce.

Equazioni fondamentali di Maxwll

Nella seconda metà dell ‘800, il grande fisico inglese Maxwell riassunse la descrizione di tutti i 
fenomeni elettromagnetici noti in sole 4 equazioni. 
Questa mirabile sintesi rappresenta una delle tappe più importanti del pensiero scientifico di tutti i 
tempi. 

Equazioni di Maxwell vedi il pdf con le dimostrazioni

dove ∇∙ e ∇× sono rispettivamente gli operatori differenziali divergenza e rotore espressi tramite l’operatore ∇, E è il campo elettrico, B il campo magnetico, ρ la densità di carica e J il vettore densità di corrente. Le costanti ε₀ e μ₀ sono dette rispettivamente costante dielettrica del vuoto e permeabilità magnetica del vuoto, e sono legate dalla relazione 1/c² = ε₀ μ₀, dove c è la velocità della luce.

Forze Magnetiche

Se due cariche si muovono, l’una rispetto all’altra, alla forza che è data dalla legge di Coulomb se ne aggiunge, sovrappone un’altra dovuta la movimento delle cariche, detta FORZA MAGNETICA.

 A titolo di esempio cerchiamo di definire un campo magnetico.

 Partiamo con lo studiare la forza esercitata sopra una carica da altre cariche si determina il campo elettrico E creato da queste cariche nel punto della carica q la forza risulta essere:

F=q.E

Un campo magnetico B creato da un sistema di cariche mobili è la causa della forza esercitata su un’altra carica elettrica in movimento o su un ago di un bussola.

Se poniamo  un filo parallelo percorso da corrente ( da cariche) parallelamente un ago questo si pone ortogonale al filo: questo vuol dire che la corrente genera un campo magnetico intorno la filo perpendicolare ( rivedi paragrafo precedenti dei poli magnetici).

Quando un filo è percorso da corrente le linee di forza del campo magnetico che ne deriva sono circonferenze. Così abbiamo creato un collegamento tra corrente e magnetismo.

Ora, se in un punto P di un campo magnetico passa una carica q con una velocità v, questa sarà sottoposta a una forza tale forza F sarà uguale 

F=Bqv

dove B è un vettore e si dice Induzione magnetica

Nel Sistema Internazionale l’unità di misura del campo induzione magnetica B è il tesla (simbolo T), mentre per il campo magnetico H si usa l’ampere/metro (A/m) . È invalso l’uso anche del sistema cgs in cui l’intensità del campo magnetico si misura in oersted ed il campo densità di flusso magnetico si misura in gauss.

Per quanto riguarda l’esposizione degli argomenti trattati ci possiamo fermare qui. Queste sono state delle semplici nozioni, che hanno solo lo scopo di introdurre concetti molto più ambi, ma che senza queste piccole colonne fondamentali, le successive teorie non avrebbero potuto svilupparsi.