Introduzione all'elettromagnetismo
A. Costantini | (la videolezione) La maggior parte delle forze di cui abbiamo esperienza quotidiana si manifestano solo quando due oggetti entrano in contatto tra loro. Tuttavia alcune forze, come la forza gravitazionale, la forza elettrica e la forza magnetica agiscono a distanza (il sole attrae la Terra senza toccarla, una carica attrae un’altra carica senza toccarla). Per descrivere l’azione a distanza delle forze conviene introdurre il concetto di "campo". Una massa o una carica elettrica o altre entità fisiche provocano nello spazio circostante delle perturbazioni che si rendono manifeste quando in tale spazio vengono introdotte altre entità fisiche che siano in grado di recepirle. Una regione dello spazio in cui siano presenti quelle perturbazioni viene detta campo; si parla quindi di campi gravitazionali, campi elettrici, ecc. Le interazioni di elettricità e magnetismo sono difficili da spiegare in termini non tecnici. Ciò è principalmente dovuto al fatto che si devono descrivere le interazioni in termini di campi spesso invisibili che si spostano, si espandono, si contraggono, si rafforzano, si indeboliscono e ruotano nello spazio, cioè cose molto difficili da descrivere adeguatamente a parole. Sarebbero richiesti strumenti matematici alquanto complessi, quindi faremo affidamento su interpretazioni grafiche più intuitive. Per tutti gli scopi pratici, il mondo intorno a noi contiene solo due tipi di particelle cariche: i protoni, che hanno una carica positiva negli atomi, e gli elettroni, che hanno una carica uguale ma di segno opposto. Come l'energia, la carica totale dell'universo viene conservata. Possiamo creare o distruggere una carica positiva fintanto che creiamo o distruggiamo anche una quantità uguale di carica negativa, ma il totale algebrico non può cambiare. Per quanto ne sappiamo, la carica elettrica totale nell'Universo è esattamente zero. Sappiamo tutti che la forza tra due cariche dello stesso segno è repulsiva, mentre quella tra due cariche di segno opposto è attrattiva. Tale forza si manifesta a distanza e pertanto può essere considerata l'effetto di un campo, che chiamiamo "campo elettrico". Ogni corpo carico elettricamente genera nello spazio un campo elettrico (E), che produce una forza (attrattiva o repulsiva) su ogni carica che sia presente in esso (forza di Coulomb). Nella figura seguente è mostrato il campo elettrico per due cariche uguali ma opposte. Il campo in qualsiasi punto P è tangente alle linee rosse (linee del campo), così come la forza su una carica di prova.
| Nella figura seguente, invece, è rappresentato il campo magnetico attorno ad un magnete permanente (la calamita). Anche qui, il campo magnetico (H) è tangente alle linee azzurre, ma la forza spesso non lo è. |
I magneti hanno sempre un polo nord e un polo sud e il campo magnetico ha sempre line chiuse dirette dal nord al sud. Se si immerge un magnete in un fluido pesante che contiene limatura di ferro e si scuote il contenitore, la limatura di ferro si allineerà lungo il campo magnetico e rivelerà così la forma del campo. Sia questo campo che quello mostrato nell'illustrazione precedente sono chiamati campi dipolo , perché sono creati da due poli.
L'elettricità e il magnetismo sono essenzialmente due aspetti della stessa cosa, perché un campo elettrico variabile crea un campo magnetico e un campo magnetico variabile crea un campo elettrico. Questo è il motivo per cui i fisici di solito si riferiscono a forze di "elettromagnetismo" o "elettromagnetiche" insieme, piuttosto che separatamente.
Per dimostrare che una corrente elettrica (cioè una carica elettrica in movimento) genera un campo magnetico, quello che occorre fare è semplicemente posizionare una bussola accanto a un conduttore in un circuito. Quando la corrente viene fatta passare attraverso il conduttore, la bussola si deflette, indicando la presenza di un campo magnetico. Si può anche usare un magnete e alcuni conduttori per dimostrare il contrario di quanto sopra: che un campo magnetico variabile crea una corrente (induzione elettromagnetica). Semplicemente spostando un magnete attraverso una bobina, si può facilmente rilevare la corrente che scorre nella bobina utilizzando un amperometro sensibile. Ma se il magnete è tenuto fermo all'interno del circuito, non accadrà nulla. Solo un qualche cambiamento dà origine a correnti elettriche. Allo stesso modo, solo le cariche in movimento (correnti) danno origine a campi magnetici. Le cariche immobili producono solo campi elettrici e forze elettriche. Un generatore elettrico commerciale è poco più di una bobina che viene fatta ruotare all'interno di una disposizione circolare di magneti. E un motore elettrico è poco più di una bobina che trasporta corrente il cui campo magnetico interagisce con il campo di una disposizione circolare di magneti. In altre parole, l'unica differenza tra un generatore e un motore è se si applica la forza per generare corrente o se si immette la corrente per generare forza. I due tipi di dispositivi sono completamente simmetrici.
