Magnetismo ed Elettromagnetismo
- Le calamite, naturali e artificiali, esercitano la loro proprietà magnetica in corrispondenza dei poli.
- un magnete altera le proprietà fisiche dello spazio circostante dando origine a un campo magnetico.
- una carica elettrica genera attorno a sé un campo magnetico.
I MAGNETI, COSA
SONO
Chi non è rimasto meravigliato e
divertito la prima volta che gli è capitata una calamita tra le
mani e ne ha sperimentato le straordinarie proprietà di attrarre
oggetti di ferro o di rimanere «appiccicata» a grosse superfici
di metallo! Ma dimentichiamoci un po dellaspetto
«sensazionale» del fenomeno e studiamolo con ordine.
Tre semplici esperienze ci permetteranno di trarre importanti conclusioni sul comportamento dei magneti.
Data la difficoltà di procurarci due pezzi
di magnetite, cioè calamite naturali, prendiamo due
comuni calamite a sbarra, che pure presentano tale proprietà
magnetica, costituite, di solito, da acciaio o da una speciale
lega ferrosa chiamata alnico, contenente alluminio, nichel
e cobalto.
Teniamo ferma una di esse, ad esempio la Calamita A, e
avviciniamo laltra calamita, B; avverti remo
unattrazione, o una repulsione. Tenendo ferma la calamita
A, «giriamo» la calamita B e avviciniamola adesso ad A. Poiché
la calamita A è rimasta ferma, dobbiamo concludere che, a
seconda della faccia»che B mostra ad A, la calamita B viene
attratta o respinta e pertanto le sue estremità presentano
proprietà opposte.
Chiameremo le due estremità nord e sud. I ruoli di
A e B possono essere scambiati e ciò mostra che anche A ha un
nord e un sud.
Per convenzione si denomina nord la parte della calamita verso cui si orienta lago di una bussola (per analogia con quanto avviene sulla Terra, dove lago di una bussola si orienta sempre verso il Nord geografico).
Ora ripetiamo lesperienza sostituendo la Calamita B con una sbarretta di ferro che non sia una calamita; osserveremo che, comunque si rigiri la sbarretta di ferro, questa viene sempre attratta da A: e non solo, ma una volta staccata dalla calamita essa diventa a sua volta una calamita.
La terza esperienza spiegherà e chiarirà queste prime osservazioni.
Prendiamo un ago non troppo piccolo e lascialmoo per un po di tempo a contatto con una calamita; esso diventa a sua volta una calamita e presenterà un nord e un sud ai suoi estremi.
Se tagliassimo lago a metà otterremmo ancora due calamite, ciascuna con il suo nord e il suo sud; potremmo continuare a tagliare i pezzi quanto vogliamo, otterremmo calamite sempre più piccole: il nord e il sud di una calamita non sono separabili.
Si può pensare a una calamita come formata da tante piccolissime calamite elementari - delle dimensioni dellatomo - tutte orientate in un senso. Il pezzo di ferro lo possiamo pensare invece costituito sì da tante calamite elementari, ma tutte disordinate, e in modo tale da non presentare polarità ai suoi estremi.
Avvicinando il ferro alla calamita tutte le sue calamitine cominciano a orientarsi, conferendogli la struttura della calamita: è chiaro che esso viene sempre attratto in quanto le sue calamitine elementari si orientano sempre in modo da mostrare alla calamita la polarità opposta.
Un magnete è temporaneo o permanente in base alla durata della sua magnetizzazione. Un magnete temporaneo perde rapidamente il suo magnetismo: è il caso del ferro dolce, che si magnetizza facilmente, ma perde rapidamente la sua magnetizzazione.
Si chiama magnete permanente il magnete che conserva il suo magnetismo a lungo; è il caso del magnete in acciaio o in alnico.
CAMPO MAGNETICO
E LINEE DI CAMPO
Proviamo a spolverare una calamita
con della limatura di ferro dopo averla appoggiata su un foglio
bianco, avendo cura di coprire bene anche le parti laterali della
calamita. La limatura si dispone secondo un disegno simmetrico
rispetto ai poli.
Questo fatto è spiegato con lipotesi delle linee di campo o linee magnetiche: si pensa cioè che un magnete alteri le proprietà fisiche dello spazio circostante nel senso che la sua presenza influenza la disposizione della limatura di ferro secondo certe linee, dette appunto linee di campo; ciò equivale a dire che un magnete genera un campo magnetico nello spazio circostante.
Possiamo anche far riferimento agli aghi magnetici delle bussole e dire che cè un campo magnetico tutte le volte che un aghetto si orienta secondo una determinata direzione.
Le linee di campo ci danno unidea della geometria del campo; esse possiedono anche un verso che, per convenzione, è quello che viene individuato dalla direzione sud-nord di un aghetto posto in un punto della linea.
Le linee di campo hanno unesistenza reale solo quando disponiamo di limatura di ferro o aghetti; spesso però è utile pensare ad esse come realmente esistenti anche se non cè nulla che le evidenzi: possono addirittura essere considerate responsabili dellinterazione a distanza fra magneti e corpi magnetizzabili. In ciò consiste la realtà del campo magnetico.
UNA CORRENTE
GENERA UN CAMPO MAGNETICO
Procuriamoci una scatola di
polistirolo delle dimensioni di circa 15 cm di lato di base e
togliamone il fondo; avvolgiamo intorno alla scatola circa 4 m di
filo di rame isolato e colleghiamo le estremità del filo ai poli
di una batteria da 4,5 V; quindi prendiamo una bussola e
appoggiamola sulla faccia interna della scatola posta sul tavolo:
osserveremo che lago si muove nonostante non vi siano
calamite intorno.
Lovvia conclusione è che una corrente elettrica genera un campo magnetico, ossia è in grado di agire sugli aghi magnetici: nonostante le notevoli differenze rilevate precedentemente, fenomeni elettrici e magnetici sono intimamente connessi.
Ma come è fatto un campo magnetico generato da una corrente? La limatura di ferro ci aiuterà a rispondere a questa domanda.
Sul pezzo di scatola di polistirolo inutilizzato facciamo un foro in maniera tale che vi possano passare attraverso alcuni giri (o spire) del filo di rame usato nellesperimento fatto in precedenza con disposizione perpendicolare alla base del polistirolo stesso.
Colleghiamo i due capi del filo ai poli di una batteria da 4,5 V.
Ora distribuiamo, con le stesse modalità dellesperimento della calamita, la limatura di ferro in prossimità del punto in cui lavvolgimento entra nel polistirolo: la limatura di ferro si dispone secondo linee di campo.
Se si prende una bussola e la si pone in vicinanza del filo, si osserva che il suo ago si orienta verso il filo stesso.
Unultima esperienza metterà in
evidenza un fatto interessante: facciamo due scanalature nel
polistirolo e avvolgiamo il filo più volte in modo da formare
tante spire vicine e il più possibile rotonde; dopo aver
collegato lestremità del filo ai poli della solita
batteria e dopo aver versato la limatura di ferro, osserveremo
che questa si dispone in modo molto simile a come si disponeva
intorno alla calamita: il campo prodotto da un tale avvolgimento,
chiamato solenoide, è molto simile a quello prodotto da
una calamita.
Da quanto finora detto è possibile formulare delle ipotesi circa
il magnetismo terrestre. La Terra, come aveva osservato
Gilbert, è un grosso magnete le cui linee di campo si dispongono
attorno ai poli; i poli nord e sud di tale magnete, però, non
coincidono esattamente con i poli geografici, che vengono
definiti come intersezioni dellasse di rotazione terrestre
con la Terra stessa.
E nel nucleo della Terra, costituito essenzialmente da ferro e nichel allo stato fuso che si ritiene abbia origine il magnetismo terrestre. Le teorie più diffuse sulle cause che conferirebbero alla Terra la struttura di un grosso magnete sono: quella dellesistenza nel nucleo di forti correnti di ferro e nichel ionizzati, e quella sulla differente velocità con cui ruoterebbero, luno dentro laltro, il nucleo fuso e lo strato solido sovrastante.
LAZIONE
MAGNETICA DI UNA CORRENTE
Abbiamo già parlato di campo
magnetico e di linee di campo: questi concetti venivano
evidenziati dalla particolare disposizione della limatura di
ferro attorno alle calamite; è possibile applicarli anche al
caso delle cariche elettriche? Si può dire cioè che una carica
elettrica genera un campo elettrico?
Anche se non è possibile «materializzare» questo campo, come si faceva con la limatura di ferro, si può ugualmente parlare di campo elettrico generato da una carica elettrica riferendoci alla capacità che esso ha di agire su qualunque altra carica posta nello spazio circostante; in questo senso i due concetti si equivalgono.
Cosa succede in una zona fissata nello spazio se una carica si muove? Quella zona risente di, o è sottoposta a, un campo elettrico variabile.
Alla luce di queste considerazioni, dato che una corrente elettrica non è che linsieme di elettroni in movimento, possiamo interpretare lazione magnetica di una corrente dicendo che una variazione del campo elettrico in una determinata zona dello spazio, ad esempio quella in cui è situato lago di una bussola, produce effetti magnetici.
Vedremo che è vero anche il contrario: una variazione del campo magnetico produce effetti elettrici mostrando la simmetriadei due tipi di azione.
Intanto diamo unulteriore spiegazione sulla costituzione delle calamite e sulla magnetizzazione dei corpi così come è stata per la prima volta spiegata dal fisico francese Ampère (1775-1836). Secondo lo scienziato, in ogni corpo esistono delle correnti elettriche molecolari che circolano disordinatamente nel suo interno.
Ogni corrente è paragonabile a quella che percorre una spira di una bobina e produce quindi leffetto di una minuscola calamita.
Di solito, queste correnti molecolari sono orientate in tutte le possibili direzioni, e quindi le minuscole forze magnetiche da esse determinate si neutralizzano reciprocamente. Ma in presenza di un campo magnetico, tali correnti molecolari si orientano nella direzione del campo esterno e quindi le minuscole forze magnetiche si sommano e danno come risultante una forza magnetica discretamente apprezzabile.
Dopo Ampère è stato scoperto che le correnti molecolari sono correnti elementari dovute al moto degli elettroni attorno al nucleo degli atomi.
La teoria di Ampère permette di capire perché si ottiene un aumento dellintensità di campo magnetico quando sintroduce un nucleo di ferro in una bobina percorsa da corrente: al campo magnetico della bobina, infatti, si somma quello dovuto allorientamento delle correnti elementari del ferro.
Ora sarà più chiaro anche il funzionamento dellelettrocalamita che altro non è che una sbarretta di ferro posta allinterno di un solenoide percorso da corrente; se ne può costruire una avvolgendo più volte del filo elettrico attorno ad un grosso chiodo e collegando i capi ai poli di una batteria da 4,5 V.
Su questo principio si basa il funzionamento di quegli strumenti che servono a rilevare e a misurare la corrente elettrica e cioè i galvanometri e gli amperometri: la corrente da misurare viene fatta passare attraverso una «bobina mobile» eventualmente avvolta attorno a un piccolo nucleo metallico. La bobina è posta tra i poli di un magnete: il campo magnetico prodotto dalla corrente che attraversa la bobina si oppone a quello del magnete, provocando la rotazione della bobina stessa; tanto più la corrente è forte, tanto più la rotazione della bobina è ampia.
Se la bobina è fissata a un indice, basterà disporre di una scala graduata per poter effettuare una misura di corrente; naturalmente lo strumento deve essere «tarato», ovvero ciascuna tacca della scala deve corrispondere a una determinata frazione di ampere, che è lunità di misura scelta per la corrente elettrica.
LE APPLICAZIONI DELLE ELETTROCALAMITE
II motore elettrico La maggior parte dei giocattoli, che si basano sul movimento, funziona grazie a un motorino elettrico in essi incorporato: si tratta di in dispositivo che trasforma lenergia elettrica (fornita per lo più da pile) in energia meccanica. In un motorino elettrico ci sono due elettrocalamite, delle quali una, lo statore, è fissata al telaio, mentre laltra, il rotore, è imperniata sullalbero rotante e può girare solidalmente con esso. Quando si chiude il circuito, gli avvolgimenti di entrambe le elettrocalamite sono percorsi dalla corrente, e perciò ciascuno di essi si trasforma nei due poli nord e sud. Poiché i poli uguali di due elettromagneti vicini si respingono e i poli opposti si attraggono, il rotore ruota in modo che i suoi poli si avvicinino ai poli di segno contrario dello statore il polo nord al polo sud e il polo sud al polo nord, rispettivamente. A questo punto il rotore si fermerebbe. Invece, un attimo prima che ciò accada, un apposito dispositivo chiamato commutatore provvede ad invertire il senso ella corrente nel rotore, con immediata inversione anche della sua polarità: il polo nord diventa sud e viceversa. Ciò determina una situazione di repulsione fra i poli simili del rotore e dello statore e, quindi, il movimento di rotazione continua. |
La dinamo della bicicletta La dinamo della bicicletta è un dispositivo per mezzo del quale viene prodotta lenergia elettrica necessaria per accendere la lampadina del fanale: questo è possibile grazie allutilizzazione dellenergia meccanica della ruota anteriore in movimento. Quando si accosta alla
ruota in movimento la testa della dinamo, questa,
attraverso un alberino, trasmette il moto rotatorio ad
una calamita che sta allinterno. Intorno alla
calamita rotante, fissato allinvolucro della
dinamo, cè un anello di ferro sul quale è avvolta
una fitta spirale di filo di rame. |