Magnetismo Elettromagnetismo

Magnetismo ed
Elettromagnetismo

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’ dell’aspetto «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 l’altra calamita, B; avverti remo un’attrazione, 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 l’ago di una bussola (per analogia con quanto avviene sulla Terra, dove l’ago di una bussola si orienta sempre verso il Nord geografico).

Ora ripetiamo l’esperienza 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 l’ago 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 dell’atomo - 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 l’ipotesi 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 c’è un campo magnetico tutte le volte che un aghetto si orienta secondo una determinata direzione.

Le linee di campo ci danno un’idea 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 un’esistenza reale solo quando disponiamo di limatura di ferro o aghetti; spesso però è utile pensare ad esse come realmente esistenti anche se non c’è nulla che le evidenzi: possono addirittura essere considerate responsabili dell’interazione 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 l’ago si muove nonostante non vi siano calamite intorno.

L’ovvia 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 nell’esperimento 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 dell’esperimento della calamita, la limatura di ferro in prossimità del punto in cui l’avvolgimento 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.

Un’ultima 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 l’estremità 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 dell’asse 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 dell’esistenza nel nucleo di forti correnti di ferro e nichel ionizzati, e quella sulla differente velocità con cui ruoterebbero, l’uno dentro l’altro, il nucleo fuso e lo strato solido sovrastante.

L’AZIONE 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 l’insieme di elettroni in movimento, possiamo interpretare l’azione magnetica di una corrente dicendo che una variazione del campo elettrico in una determinata zona dello spazio, ad esempio quella in cui è situato l’ago 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 un’ulteriore 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 l’effetto 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 dell’intensità di campo magnetico quando s’introduce un nucleo di ferro in una bobina percorsa da corrente: al campo magnetico della bobina, infatti, si somma quello dovuto all’orientamento delle correnti elementari del ferro.

Ora sarà più chiaro anche il funzionamento dell’elettrocalamita che altro non è che una sbarretta di ferro posta all’interno 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 l’unità 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 l’energia 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 l’altra, il rotore, è imperniata sull’albero 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 l’energia elettrica necessaria per accendere la lampadina del fanale: questo è possibile grazie all’utilizzazione dell’energia 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 all’interno. Intorno alla calamita rotante, fissato all’involucro della dinamo, c’è un anello di ferro sul quale è avvolta una fitta spirale di filo di rame.
Le estremità di questo filo sono collegate, per mezzo di contatti che sono sull’involucro della dinamo, una con la lampadina del fanale e una con il telaio della bicicletta. Quando la calamita ruota, la spirale di rame è sottoposta a un campo magnetico, con conseguente formazione di una corrente elettrica che, attraverso il circuito, giunge alla lampadina, che si accende. Quanto più velocemente gira la ruota anteriore, tanto più velocemente gira la calamita nella dinamo e tanto maggiore è l’intensità della corrente prodotta e quindi la luminosità della lampadina.

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