FISICA : il campo magnetico
1 - INTRODUZIONE
Campo magnetico Grandezza fisica vettoriale che esprime le proprietà dello spazio dovute alla presenza in esso di un magnete permanente o di una corrente elettrica. Per rilevare un campo magnetico, è sufficiente osservare il comportamento dell’ago di una bussola: se esso si orienta in una direzione ben precisa, nel punto in cui si trova l’ago è presente un campo magnetico di direzione e verso uguale a quelli dell’ago orientato. Il campo magnetico agisce su qualunque carica elettrica in movimento, a mezzo di una forza detta forza di Lorentz.
Trattandosi di una grandezza vettoriale, il campo magnetico B – detto anche induzione elettrica – è definito da un’intensità, una direzione e un verso. La sua intensità può essere quantificata misurando la forza che esso esercita su un filo conduttore di lunghezza l, percorso da una corrente elettrica di intensità i: tale forza dipende dall’orientazione del filo rispetto alla direzione del campo magnetico, e risulta proporzionale a i ed l. Nella situazione in cui il filo è perpendicolare alle linee di forza del campo, si può definire l’intensità B del campo magnetico come il rapporto tra la forza esercitata sul filo e il prodotto tra la lunghezza l e la corrente i. In formule: B = F/il. La direzione e il verso del campo magnetico si possono evidenziare con l’aiuto di un po’ di limatura di ferro e di un aghetto magnetico. Nel caso del campo generato da un filo conduttore percorso da corrente elettrica, se si tiene il filo in posizione verticale e si sparge della limatura di ferro su un piano ad esso perpendicolare, si vedono i frammenti metallici disporsi ordinatamente in circonferenze concentriche, centrate sul filo. Tali circonferenze evidenziano le linee di forza del campo magnetico, vale a dire la sua direzione in ogni punto dello spazio.
Il verso di un campo magnetico si può più facilmente determinare con l’aiuto dell’ago di una bussola. Ogni ago ha una polarità ben definita: l’estremità che punta verso il polo Nord della Terra è detta polarità nord, l’altra estremità, polarità sud (la Terra, infatti, è sede di un campo magnetico, detto appunto campo magnetico terrestre, che attualmente presenta i due poli magnetici quasi coincidenti con i rispettivi poli geografici). Definite in questo modo le due polarità di un ago magnetico o di un magnete, il verso del campo è quello che va dalla polarità sud alla polarità nord dell’ago magnetico posto nel campo. 3 - UNITÀ DI MISURA
L’intensità del campo magnetico, nel Sistema internazionale, si misura in Tesla (T). Un Tesla è pari a 1 newton / (1 ampere)(1 metro). Per avere un’idea dell’ordine di grandezza di questa unità di misura, il campo magnetico misurato sulla superficie terrestre è dell’ordine di 1/10.000 T, mentre quello generato da una piccola calamita è di circa 1/100 T. 4 - LINEE DI FORZA DEL CAMPO MAGNETICO
Come è noto, le linee di forza forniscono una rappresentazione simbolica di un campo di forze, e in particolare specificano la direzione e il verso che tali forze esercitano in ogni punto, su un corpo ad esse sensibile (per il campo gravitazionale, su una massa, per il campo elettrico, su una carica, per il campo magnetico, su una calamita o una corrente elettrica).
Nel campo elettrico, tali linee di forza possono essere aperte o chiuse, a seconda delle sorgenti del campo; ad esempio, una carica elettrica isolata nello spazio genera intorno a sé un campo con linee di forza aperte – semirette disposte a raggiera intorno alla carica; una coppia di cariche di segno opposto, invece, genera un campo con linee di forza chiuse, che nascono da una delle due cariche e muoiono sull’altra.
A differenza del campo elettrico, il campo magnetico può avere esclusivamente linee di forza chiuse. Questa importante proprietà discende da una caratteristica fondamentale del magnetismo, vale a dire, dal fatto che non esiste il monopolo magnetico: la più piccola sorgente di un campo magnetico è essa stessa un piccolo dipolo; se si cerca di spezzarlo in due poli separati, si ottengono due dipoli più piccoli.
Una conseguenza di questa proprietà è che il flusso del campo magnetico attraverso una superficie chiusa è sempre nullo: il numero di linee di forza che attraversano la superficie in entrata è esattamente uguale a quello delle linee di forza in uscita. La formulazione matematica di questa proprietà costituisce una delle quattro equazioni di Maxwell del campo elettromagnetico.
5 - CAMPO MAGNETICO DI UN FILO RETTILINEO
Un filo rettilineo percorso da corrente genera intorno a sé un campo magnetico di intensità pari a B = (µ /2?)i/d, dove µ è la permeabilità magnetica del mezzo (un parametro che rende conto della tendenza di un mezzo a magnetizzarsi), i è l’intensità di corrente che scorre nel filo e d è la distanza dal filo del punto in cui si misura il campo. Le linee di forza di questo campo, come già specificato, sono circonferenze concentriche centrate sul filo; il loro verso è dato dalla regola della mano destra: se si fa coincidere idealmente la direzione della corrente con il pollice della mano destra, le quattro dita che si chiudono su se stesse indicano il verso delle linee di forza.
La spira è un circuito chiuso di filo conduttore. Una spira percorsa da corrente genera intorno a sé un campo magnetico la cui intensità dipende dalla corrente i e dal raggio R della spira. Nel punto centrale della spira, il campo ha un’intensità pari a B = (µ /2)i/R. Lungo l’asse del circuito, l’intensità del campo dipende dalla distanza dal piano della spira, e la linea di forza è una retta perpendicolare a questo piano, con verso dato, anche in questo caso, dalla regola della mano destra (se le quattro dita che si chiudono su se stesse indicano il verso della corrente, il pollice punta nella direzione del campo). 7 - CAMPO MAGNETICO DI UN SOLENOIDE
Un solenoide è una bobina di filo conduttore avvolto in modo da formare una sorta di molla. Dal punto di vista magnetico, lo si studia come se fosse costituito da una successione di spire adiacenti. Con buona approssimazione, risulta che il campo magnetico al suo interno è costante, e dipende dal numero n di spire per unità di lunghezza; in formule: B = µ i n. Se il solenoide è sufficientemente lungo e il numero di spire sufficientemente alto, il campo interno può essere considerato uniforme con una migliore approssimazione e il campo esterno risulta di intensità quasi trascurabile.
