Calamita, campo magnetico e bussola
Una calamita ha due estremità chiamate poli: il polo che cerca il nord (N) e il polo che cerca il sud (S). Poli uguali si respingono e poli diversi si attirano. Lo spazio intorno a una calamita in cui si sente la sua attrazione o repulsione è il suo campo magnetico. Un campo ha sia intensità sia direzione, quindi è una grandezza vettoriale.
La bussola è semplicemente una minuscola calamita (l'ago) che può girare liberamente. La sua estremità N indica la direzione del campo in quel punto. Senza calamite o correnti vicine, punta verso il nord geografico della Terra, perché anche la Terra si comporta come un'enorme calamita.
Non possiamo vedere il campo, quindi disegniamo le linee del campo magnetico: i percorsi lungo cui si muoverebbe un piccolo polo nord libero. Spargi limatura di ferro intorno a una calamita e batti sul cartoncino: la limatura si dispone lungo questi percorsi.
Proprietà delle linee del campo magnetico
- Direzione: fuori da una calamita vanno da N a S; dentro la calamita tornano da S a N.
- Anelli chiusi: quindi ogni linea è una curva chiusa, senza inizio e senza fine.
- Non si incrociano mai: se due linee si incrociassero, una bussola in quel punto dovrebbe indicare due direzioni insieme, ed è impossibile.
- La densità mostra l'intensità: dove le linee sono vicine il campo è forte (vicino ai poli); dove si allargano il campo è debole.
- La tangente a una linea di campo in un punto dà la direzione del campo lì.
Il campo intorno a un filo rettilineo percorso da corrente
Nel 1820 Hans Christian Oersted notò che l'ago di una bussola girava ogni volta che passava corrente in un filo vicino. Questo mostrò che la corrente elettrica produce un campo magnetico: elettricità e magnetismo sono collegati.
Intorno a un lungo filo rettilineo le linee di campo sono cerchi concentrici con il centro sul filo, che giacciono su piani perpendicolari al filo.
Regola della mano destra (del pollice)
Afferra il filo con la mano destra, con il pollice nel verso della corrente. Le dita piegate mostrano il verso delle linee di campo. Se inverti la corrente, anche il campo si inverte, e la bussola gira dall'altra parte.
Da che cosa dipende l'intensità
Il campo è più forte se la corrente è maggiore e più debole man mano che ti allontani dal filo. Vicino al filo i cerchi sono fitti; lontano si allargano. (L'intensità è direttamente proporzionale alla corrente e inversamente proporzionale alla distanza.)
Il campo di una spira circolare (bobina)
Piega il filo dritto in un cerchio. Ogni piccolo pezzo della spira crea ancora cerchi di campo intorno a sé. Vicino al filo sembrano piccoli cerchi; verso il centro diventano più grandi e, proprio al centro, le linee di tutte le parti della spira vanno nello stesso verso e sembrano quasi linee rette.
Il campo al centro diventa più forte se aumenti la corrente o il numero di giri (n giri valgono n volte una sola spira). Anche una spira più piccola dà un campo più forte al suo centro. Guardando una faccia, la corrente antioraria rende quella faccia un polo nord e la corrente oraria la rende un polo sud.
Solenoide: una bobina che si comporta come una calamita a barra
Un solenoide è una lunga bobina di molti giri vicini di filo di rame isolato, a forma di cilindro. Quando passa corrente, il suo campo ha la stessa forma di quello di una calamita a barra: un'estremità si comporta da N e l'altra da S.
Dentro un solenoide lungo le linee di campo sono dritte, parallele e a distanza uguale. Questo significa che il campo è uniforme: ha la stessa intensità e la stessa direzione in ogni punto interno. Per trovare l'estremità N, piega le dita della mano destra nel verso della corrente nei giri; il pollice indica l'estremità N.
Il campo diventa più forte con (1) più giri, (2) più corrente e (3) un nucleo di ferro dolce messo dentro.
Elettrocalamita e magnete permanente
Metti una barra di ferro dolce dentro un solenoide e fai passare corrente: la barra diventa una calamita forte chiamata elettrocalamita. Spegni la corrente e perde quasi tutto il suo magnetismo.
| Elettrocalamita | Magnete permanente |
|---|---|
| È una calamita solo mentre passa corrente | Resta magnetizzato sempre |
| L'intensità si può cambiare (corrente, giri) | L'intensità è fissa |
| I poli si invertono invertendo la corrente | I poli sono fissi |
| Nucleo: ferro dolce | Fatto di acciaio, alnico, ferrite, neodimio |
| Può diventare fortissima | Di solito più debole |
Usi delle elettrocalamite: gru per rottami di ferro, campanelli elettrici, relè, altoparlanti, motori, macchine per la risonanza magnetica e treni a levitazione magnetica. L'acciaio si usa per i magneti permanenti perché conserva il magnetismo; il ferro dolce per le elettrocalamite perché lo perde in fretta.
Che cosa esce nella verifica
Aspettati disegni di linee di campo (calamita a barra, filo rettilineo, spira, solenoide), la regola della mano destra, i motivi per cui le linee di campo non si incrociano, i fattori che influenzano l'intensità del campo e le differenze tra elettrocalamita e magnete permanente. Di solito sono domande da 1 a 3 punti; nei disegni si danno punti per le frecce che mostrano il verso, quindi disegnale sempre.
Formule e definizioni chiave
- Filo rettilineo: intensità del campo B ∝ I e B ∝ 1/r (r = distanza dal filo)
- Spira circolare (centro): B ∝ n I / r (n giri, raggio r)
- Solenoide (dentro): B ∝ n I per unità di lunghezza; campo uniforme
- Unità SI del campo magnetico: tesla (T)
- Regola della mano destra: pollice = corrente, dita piegate = campo
- Faccia della bobina: corrente antioraria = faccia N, oraria = faccia S
Esempi svolti
1. Una bussola è posta appena a est di un filo verticale. Nel filo la corrente va verso l'alto. Dove punta l'estremità N della bussola? (Guarda dall'alto.)
Usa la regola della mano destra: pollice in su, le dita si piegano in senso antiorario visto dall'alto. Sul lato est, il movimento antiorario va verso nord. Quindi l'estremità N dell'ago punta a nord (il campo del filo e quello terrestre qui concordano).
2. A 5 cm da un lungo filo rettilineo il campo vale B. Quanto vale il campo a 10 cm se nello stesso tempo la corrente raddoppia?
B ∝ I/r. Raddoppiare I raddoppia B, raddoppiare r dimezza B. Quindi B resta uguale: 2 × ½ = 1, il campo vale ancora B.
3. Uno studente guarda una faccia di una bobina e vede la corrente andare in senso orario. Che polo è questa faccia? E se la corrente viene invertita?
La corrente oraria rende la faccia un polo Sud. Invertendo la corrente diventa antioraria, quindi la faccia diventa un polo Nord.
4. Dai due modi per rendere più forte il campo magnetico di un solenoide senza cambiare la lunghezza della bobina.
Far passare più corrente, aggiungere più giri o mettere dentro un nucleo di ferro dolce. Bastano due qualsiasi di questi.
5. Perché un solenoide lungo crea un campo uniforme all'interno e una bobina di un solo giro no?
In un solenoide lungo i campi di tanti giri si sommano uno accanto all'altro. Dentro, le parti che piegherebbero le linee si annullano e le linee diventano dritte, parallele e a distanza uguale. Una spira singola è dritta solo vicino al suo centro e curva altrove.
Errori comuni
- Disegnare linee di campo che si incrociano o che iniziano e finiscono nel vuoto. Sono sempre anelli chiusi che non si incrociano mai.
- Usare la mano sinistra per la regola del pollice. La regola per il verso del campo di un filo è quella della mano DESTRA (la regola della mano SINISTRA di Fleming serve per la forza su un filo, nella prossima lezione).
- Dire che dentro una calamita a barra le linee di campo vanno da N a S. Dentro vanno da S a N; solo fuori vanno da N a S.
- Pensare che un nucleo di ferro dolce faccia un magnete permanente. Il ferro dolce perde il magnetismo quando la corrente si ferma; l'acciaio lo conserva.