E-school  di  Arrigo Amadori

Tutorial di fisica

Il campo magnetico (1' parte)

Fin dall'antichità è nota la proprietà di certi minerali naturali, come la magnetite, di attirare frammenti di ferro. La forza che si esplica in questi fenomeni è detta forza magnetica

01 - Campo magnetico.

Si dice più esattamente che :

        una certa regione dello spazio è sede di un campo magnetico se in tutti i punti di quello spazio è presente una forza magnetica.

La definizione di campo magnetico è analoga a quella già vista di campo elettrico. Ovviamente, si deve sottolineare che le forze esercitate nei due tipi di campi hanno caratteristiche diverse

Anche il modo di rilevare (misurare) la forza magnetica è diverso dal modo di rilevare la forza elettrica. Per il campo elettrico si utilizza una carica di prova (detta anche carica esploratrice) mentre per il campo magnetico si utilizza, almeno come punto di partenza nello studio di questo campo (in realtà, come vedremo in seguito, si possono usare altri dispositivi), una barretta o un ago magnetizzato, come per esempio l'ago di una bussola.

Un campo magnetico può essere generato da materiali magnetici (magneti) o da correnti elettriche (parleremo di questo più avanti).

I magneti (detti anche calamite) sono composti per lo più da metalli tipo il ferro o da leghe contenenti ferro (anche altri metalli hanno proprietà magnetiche) e sono di forma rettilinea, curva o altro.

Un magnete può essere costruito con materiale che presenta già una attività magnetica, oppure può essere magnetizzato successivamente. Un magnete può essere anche magnetizzato in modo temporaneo. Un magnete permanente può essere smagnetizzato.

Gli aghi delle bussole e qualunque altro magnete (di qualunque forma) possiedono due poli magnetici che vengono chiamati polo nord ( ) e polo sud  ( ). 

       

I magneti hanno due fondamentali proprietà che sono tipiche della forza magnetica :

        -    i poli magnetici opposti si attraggono e quelli omologhi si respingono

                   

        -    comunque si spezzi un magnete, si ottengono sempre due poli (il    ed il  ). In altre parole, non esiste un polo magnetico isolato così come esiste una carica elettrica isolata (o solo positiva o solo negativa). In altre parole ancora, non esiste una sorta di "carica magnetica".

                   

L'ago di una bussola, posta in un campo magnetico, subisce una forza magnetica e di conseguenza si allinea lungo una certa direzione. L'intensità della forza che fa deviare l'ago della bussola esprime l'intensità del campo magnetico.

               

Siccome il pianeta Terra, come è ben noto, produce un grande campo magnetico, per convenzione il polo nord della bussola è quello che punta verso il polo nord del campo magnetico terrestre che si trova vicino al polo nord geografico. In realtà, siccome i poli magnetici opposti si attraggono, il polo nord magnetico terrestre è un polo sud magnetico !

       

02 - Linee di forza.

Come per il campo elettrico, anche per il campo magnetico è possibile tracciare le linee di forza. Si tratta di linee (immaginarie) in ogni punto delle quali l'ago magnetico (che usiamo per "esplorare" il campo) si dispone in modo tangente.

Siccome non è possibile, per il campo magnetico, isolare il nord dal sud, le linee di forza del campo magnetico saranno sempre chiuse

Il fatto che le linee di forza del campo magnetico siano sempre chiuse è una caratteristica fondamentale e peculiare del campo magnetico stesso. Il campo elettrico, invece, può possedere linee di forza aperte.

Per convenzione, il verso delle linee di forza va dal nord al sud, che corrisponde al verso indicato dal nord dell'ago magnetico.

       

Siccome il campo magnetico ha "natura" vettoriale, ricordiamo che un vettore possiede una intensità, una direzione ed un verso. La direzione del campo magnetico in un punto del campo è la retta tangente alla linea di forza passante per quel punto, il verso è dato dalla freccia (indicato dal nord dell'ago magnetico) e l'intensità misura la "grandezza" della forza magnetica esercitata dal campo sull'ago (a maggiore intensità si fa corrispondere un numero maggiore di linee di forza).

Se poniamo della limatura di ferro nelle vicinanze di una calamita (per esempio a forma di ferro di cavallo), le linee di forza del campo magnetico vengono visualizzate in modo suggestivo in quanto la limatura di ferro tende a disporsi lungo le suddette.

       

        (immagine tratta da Wikipedia)

Come già ricordato, anche il pianeta Terra nel suo insieme possiede un campo magnetico (fra l'altro fondamentale per la vita, in quanto ci protegge, deviandolo, dal vento di radiazioni solari e cosmiche). 

Le sue linee di forza sono visualizzate nel grafico :

       

        (immagine tratta dalla pagina  http://www.geologia.com/area_raga/magnetismo/magnetismo.html

Si noti il fatto interessante che le linee di forza entrano nel "terreno" specialmente alle elevate latitudini (nei due emisferi). Questo può essere verificato sperimentalmente con una bussola il cui ago sia libero di muoversi anche verso il basso (non solo lateralmente). Con una bussola di questo tipo, si verifica che l'ago punta verso il terreno con un certo angolo (oltre che indicare il nord).

Il campo magnetico terrestre, come già detto, è fondamentale per l'esistenza della vita. Nel seguente grafico si può osservare come il vento solare (formato da fotoni ed altre particelle altamente energetiche e pericolose per la vita) viene in parte deviato dal campo magnetico terrestre.

       

        (immagine tratta dalla pagina  http://www.geologia.com/area_raga/magnetismo/magnetismo.html

03 - Effetto magnetico della corrente elettrica.

Attorno al 1820, il fisico danese Hans Christian Oersted scoprì che un campo magnetico non viene prodotto solo da materiale magnetico (come la magnetite) ma viene generato anche da una corrente elettrica.

Questa scoperta è di estrema importanza perché costituisce il primo passo per comprendere la "vera" natura del campo magnetico e lo lega indissolubilmente al campo elettrico. Come vedremo in seguito, il campo magnetico non è "distinto" dal campo elettrico. Non sono due campi di "natura diversa". Assieme costituiscono qualcosa di "inscindibile" : il campo elettromagnetico.

Consideriamo un conduttore rettilineo molto lungo (in teoria, infinito) percorso da una corrente elettrica costante (cioè che non varia nel tempo). La corrente genera nello spazio attorno al conduttore un campo magnetico le cui linee di forza sono circonferenze concentriche perpendicolari al conduttore che a sua volta si trova nel centro delle medesime. 

Graficamente :

       

        (sono state visualizzate solo due linee di forza)

        (il verso della corrente è quello convenzionale, dal polo positivo del generatore (qui non visualizzato) al polo negativo)

Il verso delle linee di forza, ovvero del campo magnetico, è dato dalla regola della vite destrorsa :

        il verso del campo magnetico è quello che si ottiene immaginando di fare avanzare una vite destrorsa secondo la direzione della corrente.

Graficamente :

       

        (abbiamo disegnato il piano "ideale" su cui giacciono le linee di forza per meglio evidenziare la prospettiva)

Se poniamo un ago magnetizzato nei vari punti di una linea di forza (circolare) attorno al conduttore, otterremo che esso si disporrà lungo le linee di forza nel seguente modo :

       

        (l'ago è indicato da una freccia (la freccia è il nord dell'ago))

La direzione dell'ago sarà tangente alla linea di forza.

Guardando (nella direzione del conduttore) dall'alto :

       

        (la corrente è diretta verso chi osserva il grafico) 

Naturalmente, le linee di forza sono infinite e sono tutte circonferenze coassiali al conduttore. Tracciamone alcune altre :

       

        (anche qui i piani servono a meglio rappresentare la prospettiva)

Utilizzando la limatura di ferro si ottiene la seguente immagine :

       

        (immagine tratta dalla pagina  )

        (la linea trasversale è l'ombra del conduttore sul piano su cui è appoggiata la limatura di ferro)

dove si vede bene che la limatura di ferro si dispone lungo le linee di forza circolari coassiali al conduttore.

Un campo magnetico viene evidentemente generato anche da conduttori non rettilinei. Naturalmente si tratterrà di casi più complicate del semplice conduttore rettilineo.

Vediamo di seguito il caso molto importante del campo magnetico generato da un conduttore a forma di circonferenza (spira singola) o da un conduttore avvolto in più spire circolari (solenoide).

04 - La spira singola ed il solenoide.

Consideriamo un circuito circolare (spira singola) percorso da corrente continua come indicato nel grafico :

       

dove, per rendere chiara la prospettiva, consideriamo la spira "appoggiata" idealmente su un parallelepipedo

Possiamo immaginare la spira costituita di moltissimi segmenti rettilinei di conduttore ciascuno di lunghezza molto piccola e possiamo pensare che ciascun segmento di conduttore generi un campo magnetico come nel caso di un conduttore rettilineo

Graficamente, considerando solo la linea di forza del campo magnetico generato dal segmento di spira    e passante per il centro della spira :

       

        (il generatore di tensione non è stato indicato) 

Si noti il verso del campo magnetico ottenuto con la regola della vite destrorsa.

Ogni segmento di spira genera un campo magnetico per cui le linee di forza complessive saranno :

       

        (per semplicità grafica abbiamo tracciato solo alcune linee di forza passanti per la zona centrale della spira omettendo anche di chiuderle)

Un conduttore può essere avvolto in modo da formare più spire concentriche (si può pensare di avvolgere il conduttore attorno ad un cilindro "ideale"). Un siffatto conduttore viene chiamato solenoide o bobina.

Graficamente :

       

        (il tratteggio serve ad evidenziare la prospettiva)

Il solenoide genererà un campo magnetico le cui linee di forza sono indicate, in osservanza alla regola della vita destrorsa, nel grafico :

       

        (per semplicità grafica abbiamo tracciato solo alcune linee di forza passanti per la zona centrale del solenoide omettendo anche di chiuderle)

In realtà, le linee di forza nelle vicinanze delle spire e fra le medesime assumono conformazioni complicate in quanto il campo magnetico prodotto dal solenoide è la composizione dei singoli campi prodotti dai singoli piccoli segmenti di conduttore.

E' solo al centro del solenoide che le linee di forza sono pressoché lineari e parallele. Si dice allora che il campo magnetico nel centro del solenoide è uniforme.

05 - Esempi di applicazioni pratiche del campo magnetico.

Seguono ora alcune semplici applicazioni del campo magnetico dalla grande importanza storica che coinvolgono la vita di tutti noi. Oggi, dato l'enorme progresso tecnologico a cui stiamo assistendo, alcuni dei dispositivi che stiamo per mostrare sono totalmente obsoleti o profondamente evoluti nella direzione dell'elettronica. Nonostante ciò essi, così come li presenteremo, conservano un interesse ed un valore didattico innegabile. 

        - 1 - Elettromagnete.

Se inseriamo in un solenoide un nucleo di ferro dolce e facciamo passare la corrente elettrica (nelle spire del solenoide), otteniamo un campo magnetico molto più forte di quello che si ottiene con lo stesso solenoide percorso dalla stessa corrente ma senza il nucleo di ferro dolce (semplicemente avvolto in aria). Il motivo fisico di questo fatto sarà spiegato in seguito.

Il dispositivo formato da un solenoide avvolto su un nucleo di ferro dolce si chiama elettromagnete o elettrocalamita.

       

Si tratta quindi di un magnete non permanente, un magnete cioè che è tale a nostra volontà, quando facciamo cioè  passare la corrente nel solenoide. Normalmente, senza circolazione di corrente il dispositivo non presenta alcun campo magnetico.

La possibilità che il nucleo dell'elettromagnete si magnetizzi-smagnetizzi a nostro piacere dipende dal fatto che il ferro dolce ha la proprietà di smagnetizzarsi velocemente (dopo essere stato magnetizzato dal campo magnetico generato dalla corrente elettrica) appena la corrente cessa.

Altri materiali metallici hanno questa proprietà. Altri materiali metallici, invece, una volta magnetizzati dalla corrente diventano magneti permanenti e non si smagnetizzano (se non molto lentamente) al cessare della corrente che li ha magnetizzati.

E' chiaro, da quanto affermato, che la possibilità di creare campi magnetici a nostra volontà costituisce un fatto di enorme importanza tecnologica. Possiamo, a nostro piacimento ed in modo molto semplice ed economico, esercitare forze magnetiche con le quali ottenere scopi a nostro vantaggio.

L'elettromagnete è quindi alla base di innumerevoli applicazioni tecnologiche.

Grandi e potenti elettromagneti sono utilizzati nelle gru ad elettromagnete per spostare oggetti metallici ferrosi o simili (che risentano della forza magnetica). L'industria pesante si basa sull'utilizzo di tali dispositivi.

Piccoli o medi elettromagneti sono utilizzati in moltissimi altri apparati tecnologici anche ad uso domestico.

        - 2 -    Campanello.

Osserviamo il seguente schema :

       

La lettera   indica un punto fisso (realizzato in pratica da un perno). La lettera    indica un contatto mobile (realizzato da una punta metallica). La lettera    indica un percussore (realizzato da una sferetta metallica). L'arco   indica un conduttore mobile di ferro dolce (realizzato da un conduttore elastico di ferro dolce). La lettera    indica un dispositivo acustico (realizzato da un apposito corpo metallico cavo). La lettera    indica un elettromagnete.

Normalmente, in assenza di corrente, il conduttore mobile   è appoggiato al contatto  .

Quando si pigia il tasto    , il circuito viene chiuso e passa corrente nell'elettromagnete il quale si magnetizza ed attira a sé il conduttore mobile . Il percussore    urta il dispositivo acustico ma il contatto    si stacca

       

Staccandosi il conduttore mobile    dal contatto  , il circuito si apre e non passa più corrente. Non passando corrente, l'elettromagnete si smagnetizza e il conduttore mobile ed elastico   torna nella posizione di riposo ripristinando il contatto  e richiudendo il circuito

Richiudendosi il circuito, ritorna a passare corrente, l'elettromagnete si magnetizza, il conduttore mobile viene attirato verso l'elettromagnete, il percussore urta il dispositivo acustico ecc. ecc.

Finché si tiene premuto il tasto  , il processo appena descritto rimane attivo ed il campanello ... suona !!!

        - 3 -    Relè.

Il relè è uno dei dispositivi tecnologici più importanti in assoluto. Con esso è possibile modificare (chiudere o aprire) un circuito elettrico a distanza (anche a grandi e grandissime distanze, se si utilizzano onde radio). 

Immaginiamo di dovere accendere una lampadina, o addirittura un potente motore elettrico industriale a grande distanza. L'uso di un semplice relè ci evita di utilizzare lunghi, grossi e costosi fili conduttori per portare la tensione necessaria ad accendere il dispositivo a grande distanza.

Con un circuito, chiamiamolo così, di controllo (o attivazione) a bassa tensione e quindi che utilizza sottili fili di rame (economicamente vantaggiosi), o addirittura con l'utilizzo delle onde radio, è possibile "pilotare" (aprirlo a chiuderlo) un distinto circuito, che chiameremo circuito di utilizzazione, anche di grande potenza e quindi in grado di attivare potenti e costosi dispositivi elettrici.

Lo schema elettrico di principio del relè (nell'esempio di accendere una lampadina a distanza) è il seguente : 

       

Con questo circuito si vuole accendere una lampadina a distanza.

La lampadina    si trova nel circuito di utilizzazione (a sinistra), circuito che utilizza la normale tensione di rete. Il relè viene pilotato con un circuito a bassa tensione tramite la pressione del tasto  . Il tratteggio dei conduttori    indicano che essi possono essere anche molto lunghi (è possibile anche ottenere un collegamento via onde radio).

Il conduttore mobile elastico   costituito da una barretta di ferro dolce, si trova nella posizione normale di riposo (in assenza di campo magnetico) in modo che il circuito di utilizzazione sia aperto (non passi corrente).

Quando si preme il tasto  , nel circuito di controllo circola corrente e l'elettromagnete    attira a sé il conduttore mobile    il quale chiude il circuito di utilizzazione e la lampadina    si accende

       

Quando si rilascia il tasto    il conduttore mobile  ritorna nella posizione di riposo aprendo il circuito di utilizzazione. La lampadina    allora si spegne.

Esistono altri tipi di relè, anche multipli, ovvero con più contatti e/o con stato di riposo del circuito di utilizzazione chiuso.

        - 4 -    Telegrafo.

Fu un'invenzione di portata epocale. Per la prima volta nella storia l'uomo poteva comunicare a parole in tempo reale ed a grande distanza

Il telegrafo fu la prima di una serie di invenzioni (ancora oggi in piena fase di sviluppo con internet, telefoni cellulari ecc.) che migliorano e potenziano la comunicazione umana in senso moderno, quindi scientifico-tecnologico.

La prima trasmissione ufficiale si ha il 24 maggio 1844 fra Washington e Baltimora (in Italia, l'introduzione del telegrafo avviene nel 1852 nel Regno delle Due Sicilie).

Il telegrafo utilizza l'alfabeto Morse che traduce ogni lettera e simbolo in punti e linee.

Lo schema di massima del telegrafo è il seguente :

       

Spingendo il tasto  per un tempo breve il pennino  , azionato dall'elettromagnete , scrive un tratto breve (un punto) sul nastro di carta    in movimento.

Spingendo il tasto  per un tempo lungo il pennino  , azionato dall'elettromagnete , scrive un tratto lungo (una linea) sul nastro di carta    in movimento.

       

Il collegamento fra trasmettitore e ricevitore fu successivamente effettuato con le onde radio (telegrafo senza fili).

I sistemi di comunicazione telegrafici ed il relativo alfabeto Morse sono poi divenuti obsoleti a causa della supremazia delle trasmissioni radio in voce (in fonia).

        - 5 -    Telefono.

Con il telefono è possibile trasportare lungo i fili (o via radio) addirittura la voce umana che non è, evidentemente, assimilabile ad una semplice sequenza monotona di segnali lunghi e brevi (con i sistemi digitali, in verità, si è ritornati al concetto di trasformare un segnale complicato in sequenze di segnali semplici). 

Il passo in avanti fatto dall'umanità con l'invenzione del telefono fu strabiliante. Il brevetto del telefono fu attribuito a Bell nel 1876.

Il problema tecnologico principale nel telefono è la trasformazione della voce, che è una vibrazione acustica (le molecole dell'aria vengono fatte vibrare dalla vibrazione delle corde vocali), in una corrente elettrica variabile che ne riproduca appunto la vibrazione.

Successivamente, tale corrente elettrica variabile deve potere riprodurre il suono che l'ha generata e quindi permettere l'ascolto.

Il dispositivo che trasforma la voce (vibrazione acustica) in una corrente elettrica variabile si chiama microfono.

Il dispositivo che trasforma una corrente elettrica variabile in una vibrazione acustica (e quindi in suono ascoltabile) si chiama altoparlante.

Presentiamo qui un tipo di microfono costituito da un contenitore pieno di granuli di carbone in cui sono immersi due elettrodi (per esempio fili di rame).

La corrente elettrica, come ben sappiamo, a parità di tensione dipende dalla resistenza del conduttore secondo la formula :

        .

Tenendo presente questo fatto, consideriamo il seguente schema :

        

Parlando davanti al microfono  , le onde acustiche che costituiscono la voce fanno vibrare i granuli di carbone coerentemente con la vibrazione delle medesime.

La resistenza elettrica dei granuli di carbone cambia allora di conseguenza seguendo la vibrazione della voce. Nel circuito si determinerà una corrente elettrica    variabile nel tempo    coerentemente con la vibrazione della voce.

Per esempio, la corrente potrebbe essere rappresentata da un grafico del tipo :

       

L'altoparlante è qui costituito da un elettromagnete  ( ) e da una lamina di ferro dolce  ( ) ad esso vicino.

Nell'elettromagnete, quando si parla davanti al microfono, passerà allora una corrente variabile che genererà un campo magnetico variabile. Il campo magnetico variabile farà vibrare la membrana    riproducendo la voce di colui che parla davanti al microfono.

Questo è il funzionamento di principio del telefono.

Oggi, la tecnologia ci fornisce numerose varietà di microfoni ed altoparlanti sempre più sensibili, precisi, piccoli ed economici.

Fine.

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