Elettromagnetismo

Fenomeni magnetici elementari

Esistono dei corpi, detti magneti o calamite naturali, che hanno la proprietà di esercitare una forza su oggetti composti di ferro e, in misura minore, anche su quelli contenenti cobalto o nichel, attirando o respingendo corpi dello stesso materiale, secondo la reciproca posizione.
La forza magnetica della calamita si manifesta, anche attraverso l'acqua o attraverso sottili spessori di diversi materiali.

Già i romani e i greci conoscevano la magnetite (), un minerale ad alto contenuto di ferro, appartenente al gruppo dello spinello (ossido), che è in grado di attrarre il ferro. Questo minerale deve il suo nome alla città di Magnesia, in Asia Minore, nei pressi della quale veniva estratta dal VI secolo a.C.
Da sempre considerata come uno dei più curiosi fenomeni della natura, nel Medioevo si guardava a essa come a un evento miracoloso, dando origine a ogni sorta di favole e veniva impiegata da maghi e stregoni.
Il primo a considerarla un fenomeno da esaminare più scientificamente è stato lo studioso francese Pierre Pelerin de Maricourt (XIII sec.), noto come Petrus Peregrinus (Pietro Pellegrino) che nel 1269 scrisse l'Epistola de magnete, nella quale venivano elencati tutti i fenomeni magnetici conosciuti.
Lo sviluppo moderno di questa disciplina si ebbe intorno al 1600 con la pubblicazione del De Magnete del fisico britannico William Gilbert (1544 - 1603). In essa confutava le fantasiose interpretazioni di Lucrezio, Paracelso e altri, ritenendo invece fondamentale l'esperienza scientifica per lo studio dei fenomeni elettrici e magnetici. Egli individuò nel magnetismo terrestre la causa dell'orientamento degli aghi magnetici.

Proprietà magnetiche

La forza magnetica non è distribuita su tutta la calamita in modo uniforme.
Ogni calamita, infatti, presenta due poli magnetici opposti: un polo positivo (N), che generalmente viene colorato di rosso, e un polo negativo (S), di solito colorato in blu.

Per convenzione, sono chiamati polo Nord e polo Sud secondo l'orientamento che assume un magnete a forma di losanga, libero di ruotare, rispetto al polo Nord e Sud magnetico terrestre (che non coincidono con i poli geografici).

Se la calamita ha forma di barretta, l'attrazione è massima alle estremità e si riduce drasticamente nella zona mediana.

I fenomeni magnetici presentano analogie con quelli elettrici:

• può essere sia attrattiva, sia repulsiva;
• poli di segno opposto si attraggono, mentre quelli si segno uguale si respingono;
• in entrambi i fenomeni l'attrazione o la repulsione si esercita a distanza;
• la forza magnetica diminuisce con il crescere della distanza.

Ci sono però importanti differenze:

• nei fenomeni magnetici, diversamente da quelli elettrici, non si ha spostamento o trasferimento di particelle, perciò non esistono cariche magnetiche;
• quando un corpo elettrizzato viene a contatto con un corpo neutro, trasferendo elettroni, si scarica più o meno completamente, mentre una calamita a contatto con un corpo ferroso non si scarica perché non trasferisce nulla;
• non è possibile separare i due poli, come avviene per le cariche elettriche, ma se si divide una calamita otteniamo due calamite complete, ognuna con il proprio polo Nord e polo Sud;

• mentre gli effetti elettrici sono dovuti a spostamento di cariche elettriche, quelli magnetici sono dovuti all'orientamento di dipoli (vedi paragrafo successivo).

Origine del magnetismo

Il fisico francese André-Marie Ampère (1775 - 1836) suppose che le proprietà magnetiche di un corpo fossero dovute a correnti molecolari presenti al suo interno, che davano origine a piccoli magneti (magnetini), determinanti le proprietà magnetiche.

Nei corpi non magnetizzati i magnetini non hanno un orientamento preferenziale, per cui i loro effetti si annullano reciprocamente.
Nei corpi magnetizzati, invece, i magnetini sono tutti orientati nella stessa direzione.
All'interno del corpo si ha una zona neutra perché ogni polo positivo di un magnetino è a contatto con il polo negativo di un altro, perciò le azioni dei magnetini si annullano a vicenda.

Oggi sappiamo che, in un magnete a bassa temperatura, le correnti molecolari (correnti amperiane), sono dovute a un moto ordinato degli elettroni intorno al nucleo. Non si tratta degli elettroni di conduzione, ma di quelli delle orbite interne di ogni atomo.
Ogni atomo si comporterebbe come una piccola spira percorsa da corrente, equivalente a un microscopico ago magnetico, cioè a un dipolo (principio di equivalenza di Ampère)*.
Quando tutte le spire sono concordemente orientate, si manifestano gli effetti magnetici, come nei magneti naturali, mentre se hanno un orientamento casuale, non si manifestano effetti magnetici, come per la maggior parte delle sostanze.

All'interno del magnete i dipoli si compensano tra loro perché le correnti dovute ad atomi adiacenti si elidono, avendo verso opposto, mentre sulla superficie non c'è questa compensazione per l'assenza di atomi adiacenti. Di conseguenza, sulla superficie si generano correnti amperiane con effetti magnetici.
Quando la calamita si spezza, nelle due zone di separazione si manifesta una nuova polarità perché i dipoli non si trovano più all'interno e quindi non c'è compensazione ed è per questo che non è possibile avere poli singoli.

* Più in generale, il principio di equivalenza di Ampère afferma che un circuito percorso da corrente si comporta come un magnete ovvero, una sezione trasversale di un magnete è equivalente, dal punto di vista degli effetti magnetici, a un filo percorso da una corrente continua.

Magnetizzazione e smagnetizzazione

Esistono tre diversi modi di magnetizzazione, apparentemente simili a quelli dell'elettrizzazione, ma sono efficaci solo sulle sostanze magnetiche:

• strofinio,
• contatto,
• induzione.

La magnetizzazione per strofinio si ottiene passando un corpo di acciaio da magnetizzare sul polo di un magnete, sempre nella stessa direzione.

La magnetizzazione per contatto si verifica in tutti corpi ferrosi: se con una calamita si tocca una barretta di ferro o di acciaio, questa si magnetizza in modo temporaneo per il ferro e permanente per l'acciaio.

La magnetizzazione per induzione è simile a quella di contatto, però il ferro o l'acciaio si magnetizzano senza venire toccati direttamente dal magnete, ma per azione della forza magnetica.
Anche in questo caso la magnetizzazione del ferro è temporanea, mentre quella dell'acciaio è permanente.

Il differente comportamento tra il ferro e l'acciaio è spiegabile con il fatto che in quest'ultimo i dipoli hanno meno libertà di movimento rispetto al primo e quindi, una volta orientati, mantengono tale orientamento, mentre nel ferro tornano in uno stato di disordine.

Un magnete può anche essere smagnetizzato. Per fare questo bisogna muovere le particelle del corpo e fare in modo che queste perdano l'allineamento. Ciò può essere fatto riscaldandolo a 769 °C (punto di Curie). A tale temperatura si ha un'elevata agitazione termica e alto grado di disordine a livello atomico, perciò la calamita perde le forze magnetiche.
La smagnetizzazione si può avere anche percuotendo il magnete.

Il campo magnetico

Ogni magnete esercita delle forze nello spazio circostante, cioè crea attorno a sé un campo magnetico che non è prodotto da un oggetto elementare (una carica elettrica) ma da una grandezza che può essere rappresentata soltanto da un vettore, mentre una carica elettrica può essere definita da un numero positivo o negativo.

Per descrivere un campo elettrico si usa una carica esploratrice e si misura la forza esercitata su di essa. Nel caso del campo magnetico, poiché abbiamo due poli inscindibili, non è possibile misurare una singola forza, ma una coppia di forze. Per fare questo si impiega una carica in movimento.

Il campo magnetico è un campo vettoriale perciò, mentre nel campo elettrostatico per definire il vettore si misura la forza F esercitata su una carica di prova q in quiete (E = F/q), per definire il vettore * del campo magnetico si misura la forza F esercitata su una carica di prova q in movimento.

Definiamo perciò campo magnetico un campo vettoriale generato nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo (lo vedremo più avanti). Insieme al campo elettrico costituisce il campo elettromagnetico, responsabile dell'interazione elettromagnetica.

Il campo magnetico non è conservativo come quello elettrostatico perché è sempre possibile scegliere una linea chiusa che incontra o contiene il circuito.

* indica precisamente il vettore dell'induzione magnetica, ma è invalso l'uso di usarlo per indicare l'intensità del campo magnetico (o semplicemente campo magnetico) e la grandezza B è il modulo di tale vettore che, in ogni punto del campo, ha la stessa direzione e lo stesso verso del campo.

Lo spettro magnetico

Come per il campo elettrico, per visualizzare il campo magnetico si hanno le linee di forza del campo magnetico che sono, in ogni punto, tangenti alla forza magnetica esistente in quel punto e parallele alla direzione dell'ago magnetico.

Le linee di forza del campo magnetico:

• sono più addensate dove maggiore è l'intensità del campo;
• non si incrociano mai;
• sono sempre chiuse*.

* Le linee del campo magnetico non hanno né inizio, né termine, ma si chiudono sempre su se stesse. Anche se sembrano terminare su poli magnetici o iniziare da questi, in realtà entrano dal polo Sud, percorrono il magnete ed escono dal polo Nord. Nel campo elettrico, invece, le linee di forza iniziano dalle cariche positive e terminano su quelle negative.

Per evidenziare l'andamento del campo magnetico nello spazio che circonda il magnete, si può usare della limatura di ferro. Questa si dispone lungo le linee di forza che congiungono i due poli di segno opposto dello stesso magnete o di magneti differenti. La figura che si ottiene si chiama spettro magnetico.

Per ottenere lo spettro di un campo magnetico attorno a un filo rettilineo occorre una corrente molto intensa.
Con il conduttore sagomato in forma di spira, o meglio, se più spire sono avvolte a elica, i loro campi si raccordano e formano un unico campo uniforme (con linee di forza parallele) all'interno della spirale, la quale prende il nome di solenoide (fig. sotto) se ha un gran numero di spire ed è di lunghezza molto maggiore del diametro; viceversa, si chiama bobina.

Campo magnetico generato da una corrente elettrica

Fino ai primi decenni dell'Ottocento si era sempre pensato che i fenomeni elettrici e quelli magnetici fossero completamente distinti e sparati gli uni dagli altri, che appartenessero a campi dell'esperienza completamente differenti.

Uno degli effetti più importanti del passaggio della corrente elettrica in un conduttore, invece, è la produzione di un campo magnetico attorno al conduttore stesso: come il campo elettrostatico è generato da cariche elettriche in quiete, così il campo magnetico è generato da cariche elettriche in movimento.
Il campo magnetico prodotto da una corrente elettrica è identico al campo prodotto da un magnete.

La stretta relazione tra elettricità e magnetismo venne scoperta dal fisico e insegnate di scienze naturali danese Hans Christian Ørsted (1777 - 1851).
Nel 1820 notò che avvicinando una bussola a un filo percorso da corrente elettrica, l'ago ruotava fino a raggiungere una nuova posizione di equilibrio.
Preparò allora un esperimento: fissò un cavo elettrico lungo la direzione nord-sud e sotto mise una bussola; l'ago era orientato nella medesima maniera. Quando chiuse il circuito, l'ago cambiò direzione, ponendosi perpendicolare al filo se la corrente era abbastanza intensa, come se gli fosse stata avvicinata una calamita.
Ne dedusse che un conduttore percorso da cariche elettriche in movimento genera nello spazio circostante un campo magnetico (effetto Ørsted), perciò i fenomeni elettrici e quelli magnetici erano strettamente legati.

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Ørsted aveva anche notato che la forza che la corrente esercita sull'ago, non agisce lungo la retta che unisce la sorgente all'oggetto, come la forza gravitazionale o quella elettrostatica, ma è perpendicolare a questa direzione, perciò l'ago magnetico non è attratto o respinto dal filo percorso da corrente, ma è sottoposto a una rotazione dalle forze che agiscono sui poli magnetici.

Legge di Biot-Savart

I fisici francesi Jean-Baptiste Biot (1774 - 1862) e Félix Savart (1791 - 1841) nel 1821 misurarono sperimentalmente il modulo del vettore del campo magnetico in diversi punti a distanza r di un filo di lunghezza indefinita, percorso da corrente elettrica avente intensità I e ne ricavarono sperimentalmente una legge.

La legge di Biot-Savart afferma che il modulo dell'intensità del campo magnetico è direttamente proporzionale all'intensità della corrente I che scorre lungo un filo rettilineo indefinito e inversamente proporzionale alla distanza di un punto di cui si vuole calcolare il valore del campo dal conduttore. In formula:

La direzione è perpendicolare al filo e il verso si può ricavare con la regola della mano destra: se il pollice è orientato nella direzione della corrente, le dita si chiudono intorno al filo nella stessa direzione del campo.

k è una costante di proporzionalità che dipende dal mezzo in cui si trovano il magnete e il filo percorso da corrente e dalle unità di misura scelte per misurare le grandezze B, I, r  e  vale:

μ è la permeabilità magnetica del mezzo considerato e nel vuoto (approssimativamente anche nell'aria) nel SI ha valore:

μ₀ = 4π · 10^-7

Si definisce permeabilità magnetica relativa μ_r il rapporto tra la permeabilità della sostanza μ e quella del vuoto μ₀.

Azione di un campo magnetico su un filo percorso da corrente

Lo spazio compreso tra le espansioni di un magnete a forma di ferro di cavallo è sede di un campo magnetico le cui linee di forza sono perpendicolari a queste.

Quando un filo di lunghezza l, percorso da corrente elettrica di intensità I, si trova immerso in questo campo magnetico, il modulo della forza è direttamente proporzionale al campo magnetico stesso, alla lunghezza I del filo che lo attraversa e all'intensità di corrente l che percorre il filo:

F = B · I · l

Tale forza:

• ha direzione perpendicolare sia al filo conduttore, sia alla direzione del campo magnetico;
• il suo verso dipende da quelli del campo magnetico e della corrente; si può individuare con la regola delle tre dita della mano destra:

pollice = quello convenzionale (da positivo a negativo) della corrente ;
indice = verso del campo magnetico ;
medio = verso della forza .

(Crediti: Acdz CC BY-SA 3.0 - modificato)

La costante di proporzionalità B rappresenta la misura del campo magnetico:

Come accennato in precedenza, è anche definito vettore induzione magnetica, che ha direzione e verso delle linee di forza del campo magnetico e intensità il valore della costante di proporzionalità B.

Azioni elettrodinamiche tra due correnti parallele

Ogni filo conduttore percorso da corrente genera un campo magnetico. Se consideriamo, per semplicità, due conduttori rettilinei indefiniti e paralleli, immersi nel vuoto, ci si aspetta che interagiscano reciprocamene. Le forze che si esercitano tra loro si chiamano azioni elettrodinamiche tra correnti.
Si chiamano, invece, azioni magnetiche quelle che avvengono tra due magneti e azioni elettromagnetiche quelle tra correnti e magneti permanenti.

Ampère pensava che se i magneti esercitavano tra loro delle forze e interagivano con le correnti, poteva essere possibile che anche le correnti esercitassero delle forze tra loro.

Nel 1820 dimostrò sperimentalmente che la forza elettrodinamica tra i due conduttori è direttamente proporzionale alle intensità I₁ e I₂ delle due correnti e alla loro lunghezza l, mentre è inversamente proporzionale alla distanza d tra i due conduttori.

Per la legge di Biot-Savart, nel primo filo percorso dalla corrente con intensità I₁ si genera il campo magnetico:

Questo esercita una forza F₂ su un tratto l del filo 2 pari a:

F₂ = B₁ · I₂ · l

Gli stessi passaggi si ripetono per il secondo filo (che omettiamo).

Con le opportune sostituzioni abbiamo la legge elettrodinamica di Ampère:

F₁ e F₂ hanno la stessa direzione, mentre il verso è contrario.

Le due forze sono attrattive se le correnti hanno verso concorde e repulsive quando il verso è discorde, in accordo con il principio di azione e reazione poiché su ciascun conduttore agiscono forze aventi la stessa intensità e direzione, ma versi opposti.

Definizione elettrodinamica dell'ampere

La formula precedente è utilizzata per definire l'unità di corrente elettrica: l'ampere (A) è l'intensità di corrente continua costante che produce una forza di 2 · 10^-7 N per ogni metro di lunghezza, tra due conduttori rettilinei paralleli di lunghezza infinita, di sezione circolare e diametro infinitesimo, posti nel vuoto a una distanza di 1 m l'uno dall'altro.

Forza di Lorentz

Ora prenderemo in considerazione le forze che agiscono su un singolo elettrone quando si muove in un campo magnetico esterno.

Le esperienze di Ampère avevano dimostrato che, quando le cariche elettriche sono in moto, compaiono delle forze magnetiche dovute alla presenza di campi magnetici generati dalle cariche in moto, cioè si produce sempre un campo magnetico attorno a ogni corrente elettrica, sia che si tratti di correnti formate da flussi di elettroni in moto entro conduttori metallici o lanciati o accelerati nel vuoto, oppure orbitanti nelle microscopiche spire attorno ai nuclei atomici.

Si chiama forza di Lorentz* , o forza magnetica, quella forza esercitata dal campo magnetico su un elettrone che si muove in un campo magnetico e/o un campo elettrico.

Supponiamo che una particella carica in moto penetri in una regione con un campo magnetico uniforme di intensità B.
Se inizialmente si muove in direzione perpendicolare a , è soggetta a una forza centripeta che la fa deviare dalla sua traiettoria, portandola a descrivere una circonferenza. Ciò non avviene se si muove in una direzione parallela alle linee di campo.
Il campo magnetico ha effetto solo sulla direzione del moto, perciò non si manifesta quando la carica è ferma.

Poiché la forza di Lorentz è sempre ortogonale alla velocità, il lavoro che essa compie quando sposta una carica di un tratto l è sempre nullo.
Quando dunque una particella carica è deviata dal campo magnetico, dato che il lavoro compiuto da una forza su un sistema è uguale alla variazione della sua energia cinetica, questa non cambia e anche il modulo della sua velocità resta costante.
Questa caratteristica dei campi magnetici è utilizzata negli acceleratori di particelle nei quali l'accelerazione è fornita da un campo elettrico che compie lavoro, mentre il campo magnetico mantiene le particelle su orbite circolari, deflettendole senza variare la loro velocità.

* Hendrik Antoon Lorentz (1853 - 1928), fisico olandese.

Se una carica elettrica in movimento in una regione di spazio dove c'è un campo magnetico è soggetta alla forza di Lorentz, anche un tratto di filo percorso da corrente in un campo magnetico sarà soggetto a tale forza.
Consideriamo ora una carica elettrica che si muove all'interno di un filo conduttore.
Se t è il tempo che la carica elettrica impiega a percorrere un conduttore di lunghezza l con velocità v, e quindi v = l/t, allora:

F = B · I · l → F = B · I · v · t

Poiché It = q, il modulo della forza di Lorentz è:

F = q · v · B

Nota. Ricordiamo che , e sono tre grandezze vettoriali.

La direzione di è perpendicolare sia a , sia a e il suo verso si ricava con la regola delle tre dita della mano destra se la carica è positiva (della mano sinistra se è negativa):

• indice = campo magnetico da N a S;
• medio = forza di Lorentz
• pollice = verso e direzione della velocità dell'elettrone, coincidente con quello della corrente che, per convenzione, è quello delle cariche positive che si muovono nel conduttore, ricordando che il verso della corrente è contrario a quello del moto degli elettroni

(Crediti: Acdz CC BY-SA 3.0 - modificato)

Naturalmente, la forza è nulla se la carica si muove nella stessa direzione del campo .

Se la carica elettrica è un elettrone, la formula precedente assume la forma:

F = e · v · B

Poiché la corrente continua è costituita da un flusso di cariche elettriche in movimento, la forza complessiva, detta forza di Laplace, che un campo magnetico esercita sul filo è la risultante delle forze che si esercitano su ciascuna delle cariche in movimento.

B è numericamente uguale alla forza su una carica unitaria positiva che si muove con velocità unitaria v.

Si noti che ha la direzione perpendicolare a e non coincide con questa come avviene con il campo elettrostatico.

Campo magnetico secondo il tipo di percorso

Conduttore rettilineo

Un filo rettilineo indefinito percorso da corrente genera un campo magnetico nella zona circostante. 
Attraverso lo spettro magnetico possiamo notare che le linee di forza del campo magnetico sono circonferenze concentriche (linee chiuse → non conservatività del campo magnetico) con centro dato dalla sezione del filo e giacenti perpendicolarmente a quest'ultimo: la corrente elettrica crea sempre una forza magnetica disposta su un piano perpendicolare alla propria direzione.
Le circonferenze si diradano all'aumentare del loro raggio e ciò indica che l'intensità del campo magnetico diminuisce con la distanza dal conduttore e questo dimostra anche che la direzione del campo magnetico è in ogni punto perpendicolare al piano a cui appartengono il filo conduttore e il punto considerato.
Il verso è determinato attraverso una delle seguenti regole pratiche:

• cavatappi: ruotare in modo che avanzi nel verso della corrente;
• regola della mano destra: se chiudiamo indice, medio, anulare e mignolo della mano destra attorno al filo abbiamo il verso del campo e tendo il pollice teso, quest'ultimo indicherà il verso della corrente.

Se al conduttore rettilineo, percorso da corrente, si avvicina un ago magnetico, questo si orienta perpendicolarmente al conduttore, tangente alle linee di forza.

In un filo rettilineo indefinito - ovviamente deve appartenere a un circuito chiuso perché possa passare la corrente -, immerso nel vuoto, secondo la legge sperimentale di Biot-Savart:

Spira circolare

Una spira circolare percorsa da corrente elettrica genera un campo magnetico nello spazio circostante, con le linee di forza perpendicolari al piano della spira, che diventano circolari avvicinandosi a essa.
La direzione del campo magnetico coincide con quella dell'asse della spira e il verso secondo la regola del cavatappi o la regola della mano destra.

Il polo Sud è dato dalla parte del piano da cui entrano le linee di campo, mentre il polo Nord è dalla parte opposta.
Si può utilizzare anche la regola dell'orologio: se la corrente circola in senso antiorario, il polo Sud si trova nella faccia posteriore della spira rispetto all'osservatore, mentre il polo Nord si trova nella faccia anteriore.

In una spira circolare immersa nel vuoto:

I è l'intensità della corrente e r è il raggio della spira.

Solenoide

Un solenoide genera un campo magnetico che è dato dalla somma di quello delle singole spire che lo compongono.
All'interno del solenoide il campo magnetico è pressoché uniforme (il modulo di è costante), cioè le linee di forza sono parallele e rettilinee. Inoltre, sono equidistanti e molto dense, mentre quelle esterne sono simili a quelle generate da una calamita a forma di barra.

Poiché il solenoide è assimilabile a una barre magnetica, il polo Nord e Sud corrispondo a quelli delle due estremità. È possibile individuarli con la regola dell'orologio applicata alle due spire terminali.

Il campo magnetico generato all'interno di un solenoide nel vuoto percorso da corrente, risulta uniforme se il solenoide è abbastanza lungo e la sua intensità è direttamente proporzionale al numero N di spire e all'intensità I della corrente, mentre è inversamente proporzionale alla lunghezza l del solenoide:

I è l'intensità della corrente e N è il numero di spire per unità di lunghezza.
La direzione di coincide con l'asse del solenoide e il verso si ricava con la regola del cavatappi o delle tre dita della mano destra.

Poiché il campo magnetico all'interno del solenoide è praticamente uniforme, aumentando il numero delle spire si ottengono campi intensi anche con correnti modeste.
Da notare che il campo magnetico è molto intenso all'interno e molto meno all'esterno.

Elettromagneti

Il campo magnetico prodotto dalla corrente elettrica è abbastanza debole, a meno di usare correnti molto intense. Se però si impiega un solenoide con inserito al suo interno un nucleo ferromagnetico* isolato, in modo che si magnetizzi per induzione e concentri ulteriormente l'effetto del campo magnetico della corrente, si ottiene un apparecchio chiamato elettromagnete.
Questo si comporta come un vero magnete finché nel solenoide circola corrente elettrica; quando si interrompe il passaggio di corrente, l'elettromagnete si smagnetizza.
Il vantaggio degli elettromagneti rispetto ai magneti permanenti è che un elettromagnete può essere “acceso” o “spento”, cioè si può stabilire o eliminare il campo magnetico chiudendo o aprendo un interruttore che si trova sul circuito.

Potentissimi elettromagneti vengono impiegati nell'industria siderurgica per sollevare grandi quantità di materiali ferrosi.
Sull'elettrocalamita si basa anche il funzionamento del campanello elettrico, il telegrafo, ecc.

Passa il mouse sull'immagine per attivare il campanello.

Campanello elettrico. È costituito da un circuito alimentato da un generatore G, un interruttore I, un elettromagnete E, un martelletto M posto su un'ancora A collegata a una molla S e a un contatto B del circuito, una campana C. A circuito aperto il martelletto è lontano dalla campana e dall'elettrocalamita. Quando si chiude il circuito, l'elettromagnete entra in funzione attirando il martelletto che colpisce la campana. Contemporaneamente, però, si interrompe il contatto con il circuito, perciò si annulla la forza attrattiva e il martelletto ritorna nella sua posizione grazie alla molla.
Se l'interruttore rimane premuto, il circuito si chiude e si apre numerose volte, dando l'impressione di un suono prolungato.

* Il nucleo è di materiale magnetico dolce (a basso contenuto di carbonio), cioè tale che i suoi atomi perdono l'orientazione comune e tornano a orientarsi in modo casuale quando è interrotta la corrente del solenoide. I magneti permanenti, invece, sono fatti di materiale magnetico duro, cioè i loro atomi restano orientati nella stessa direzione anche quando non è più presente il campo magnetico esterno.

Unità di misura del campo magnetico

Nel SI l'unità di misura del campo magnetico si chiama tesla (T)*.

Se si usa la Legge di Lorentz (F = qvB), il campo magnetico unitario è quello che produce la forza di 1 newton sulla carica di 1 coulomb che si muove in direzione perpendicolare al campo con velocità costante di 1 m/s:

Se invece si usa l'equivalente F = BIl, il campo magnetico unitario è quello che produce la forza di 1 N su ogni metro di conduttore rettilineo indefinito, disposto perpendicolarmente al campo (che si suppone uniforme) e percorso dalla corrente di 1 A:

Le due definizioni dell'unità di misura del campo magnetico sono ovviamente equivalenti.

Poiché il tesla ha un valore molto grande, si usa il sottomultiplo gauss.

1 gauss = 10^-4 T

* In onore del fisico e inventore serbo Nikola Tesla (1856 - 1943).

Proprietà magnetiche della materia

In base alla permeabilità magnetica le sostanze possono essere suddivise in tre categorie.

• μ_r < 1 → sostanze diamagnetiche;
• μ_r > 1 → sostanze paramagnetiche;
• μ_r ≫ 1 → sostanze ferromagnetiche.

Sostanze diamagnetiche

La permeabilità magnetica relativa è di poco inferiore a 1 e rimane costante al variare del campo magnetico.
I dipoli non sono orientati, perciò non manifestano effetto magnetico. Se si trovano immersi in un campo magnetico, possono debolmente magnetizzarsi per induzione, cioè hanno bassa suscettività magnetica, ma con verso opposto rispetto a quello del campo magnetico, perciò ha valore negativo.
Sono sostanze diamagnetiche: acqua, carbone, alcol, bismuto, argento, rame, mercurio, oro.

Sostanze paramagnetiche

La permeabilità magnetica relativa è di poco superiore a 1 e rimane relativamente costante al variare del campo magnetico.
Anche in questo caso i dipoli non sono orientati ma possono orientarsi per induzione nello stesso verso del campo magnetico e per questo la suscettività ha valore positivo.
Sono sostanze diamagnetiche: ossigeno, azoto, alluminio, platino, tungsteno, titanio.

Sostanze ferromagnetiche

La permeabilità magnetica relativa è molto grande, ma non è costante e si mantiene solo sotto la temperatura di Curie.
Questi materiali si magnetizzano molto intensamente sotto l'azione di un campo magnetico esterno e rimangono a lungo magnetizzati quando il campo si annulla.
Sono materiali ferromagnetici la magnetite, il ferro, il cobalto, il nichel, numerosi metalli di transizione e le loro rispettive leghe.