MAGNETISMO

Magneti magneti naturali: magnetite (minerale del ferro Fe3O4)

magneti artificiali: composti di Fe, Ni, Co

Magnetite

Ago magnetico

poli magnetici: Nord e SudI nomi dei poli magnetici derivano dall’attrazione magnetica terrestre

Le forze magnetiche sono attrattive e repulsive

Impossibile separare i poli magnetici: esperimento della calamita spezzata

Campo magnetico e linee di forza

Campo magnetico reso visibile dalla limatura di ferro

Gli aghi magnetici visualizzano le linee di forza

Le linee di forza del campo magnetico:• sono sempre linee chiuse• sono uscenti dal Nord ed entranti nel Sud• la densità delle linee è proporzionale all’intensità del campo• il vettore campo di induzione magnetica è tangente punto per punto alla linea

Campo magnetico terrestre

declinazione magnetica (attualmente circa 11,3°)angolo che il meridiano magnetico fa con il meridiano terrestre per un dato punto della terra

i inclinazione magneticadeviazione angolare dell’asse dell’ago calamitato rispetto il piano dell’orizzonte

William Gilbert (1544 – 1603)

modello di Gilbert

Campo magnetico del magnete ad U e magneti stampati

Esperimento di Hans Christian Oersted (1777 - 1851)21 luglio 1820

Ha dimostrato che anche la corrente elettrica fa deviare un ago magnetico,

quindi produce un campo magnetico.

Non passa corrente:

l’ago magnetico è parallelo al filo,

orientato secondo il campo magnetico

terrestre

passa corrente: l’ago magnetico ruota

di 90°

Invertendo la corrente: l’ago magnetico ruota in

senso opposto

Campo magnetico di un filo rettilineo percorso da corrente

Prima regola della mano destra: se il pollice indica il verso della corrente allora

le dita si chiudono nel verso del campo magnetico generato

0

2

iB

r

Legge di Biot e Savart (ottobre – dicembre 1820)

Permeabilità magnetica del vuotomH /104 70

SOLENOIDE o BOBINA (avvolgimento di fili di rame)

Il campo magnetico di un solenoide percorso da corrente elettrica è simile a quello del

magnete rettilineo

Regola della mano destra:

se le dita si avvolgono come la corrente, il pollice indica il verso

del vettore campo magnetico interno al solenoide

Spira e bobina

0

2

iB

r

linee di forza del campo magnetico di una spira percorsa da corrente• le linee sono chiuse

• la linea centrale è ┴ al piano della spira

• il pollice della mano destra indica il verso del campo, se le dita si chiudono nel verso della corrente• l’intensità al centro della spira è:

linee di forza del campo magnetico di una bobina percorsa da corrente• le linee sono chiuse• all’interno della bobina le linee sono parallele e indicano un campo uniforme• se il solenoide ha una lunghezza molto maggiore del suo diametro all’esterno il campo è nullo,

0

NB i

l

Misura dell’intensità del vettore di induzione magnetica B

Quando chiudiamo il circuito la barretta percorsa da corrente viene spinta verso l’interno del magnete; invertendo il verso della corrente essa viene spinta verso l’esterno.

Il dinamometro misura l’intensità della forza che il campo magnetico applica al conduttore.

FB

iL

La forza di interazione corrente-magnete è direttamente proporzionale alla corrente i e alla lunghezza L del conduttore immerso nel campo magnetico B

F i l B ilBsen

seconda regola della mano destra:

se il pollice si orienta come la corrente e le dita si stendono nel verso del campo magnetico allora la

forza ha verso uscente dal palmo della mano

Quando B è perpendicolare al filo si ha la massima forza

B Bsen B B

Se B è inclinato di un angolo rispetto al filo, la forza è minore

Se B è parallelo al filo, la forza è nulla

0 0B Bsen

TESLA

Unità di misura dell’intensità del vettore di induzione magnetica B

newtontesla

ampére metro

Campo magnetico terrestre:

0,610-4T = 0,6G al polo

0,310-4T = 0,3G all’equatore

i più potenti elettromagneti usati nella ricerca e nell’industria raggiungono solo pochi tesla

410gauss tesla

Interazione corrente-correnteesperimento di Andre-Marie Ampére (1775 – 1836)

18 settembre 1820

Conduttori paralleli percorsi da correnti equiverse si attraggono

Conduttori paralleli percorsi da correnti con versi opposti si respingono

1) Forza di interazione tra due correnti2) definizione dell’unità di misura della corrente nel S.I.

0 1 2

2

i iF l

d

Unita’ di misura di corrente nel S.I. L’unità di misura ampére è definita come quella corrente costante che mantenuta in due conduttori paralleli e rettilinei, di lunghezza molto grande e sezione trascurabile, alla distanza di un metro l’uno dall’altro, nel vuoto, produce tra i due conduttori una forza di 2.10-7N per ogni metro di lunghezza

( ) 0S B

Poli magnetici non separabili

Il numero di linee entranti in S è sempre uguale al numero di linee uscenti

Caso generale: Teorema di Gauss per il magnetismo

Flusso del vettore B, l’unità di misura è il weber (Wb)

B

0( )C B i

Teorema della circuitazione di Ampére

Conseguenza: Il campo magnetico non è un campo conservativo!

Applicazione del teorema di Ampére alla bobina

____

0

( ) 0 0 0

( )

C B B AB

C B Ni

0

NB i

L

N numero di spire concatenate con la linea

L lunghezza della bobina racchiusa dalla linea

Densita’ di spire n = N/L

Momento torcente di un campo

magnetico su una spira percorsa da

corrente

amperometro e voltmetro a bobina

mobile

APPLICAZIONI: strumenti di misura di correnti e tensioni, motore elettrico

M Fd iSBsen

iS si chiama momento magnetico della spiraIl momento di una forza é il prodotto

della forza per il braccio

Motore elettrico a corrente continua trasforma energia elettrica in energia meccanica

Il magnetismo della materiaProprio come l’elettricità fluisce meglio in alcuni materiali piuttosto che in altri, anche il campo magnetico riesce a “magnetizzare” più facilmente alcuni materiali piuttosto che altri.

La capacità che ha un materiale di essere magnetizzato se immerso in un campo magnetico esterno è detta permeabilità magnetica relativa e si

indica con r .

Assumendo che il vuoto abbia permeabilità unitaria, risulta che

maggiore è il valore di r , più facile è

magnetizzare il materiale di cui si tratta.

Classificazione r

DIAMAGNETICI Acqua 0,99999

Argento 0,99998

PARAMAGNETICI Aria 1,0000004

Ossigeno 1,00133

Platino 1,0002019

FERROMAGNETICI Ferro dolce

5 000

Leghe speciali

1 000 000

Il magnetismo nella materia

Momenti magnetici atomici e molecolari

• Sostanze diamagnetiche, numero pari di elettroni in ogni atomo, momento totale nullo, il materiale non ha magnetizzazione propria

• Sostanze paramagnetiche, numero dispari di elettroni nell’atomo, debole magnetismo proprio ad orientazione casuale

• Sostanze ferromagnetiche, i momenti magnetici dei singoli atomi sono allineati fra loro localmente dando luogo a ‘domini magnetici’ di forte intensità (Weiss)

Momento magnetico orbitale e di spin

dell’elettrone

BNelle sostanze diamagnetiche un campo magnetico esterno induce a livello microscopico, una polarizzazione magnetica orientata in senso opposto rispetto a quello del campo inducente: il campo all’interno del materiale e’ minore di quello esterno Levitazione magnetica della grafite

Nelle sostanze paramagnetiche, si ha la polarizzazione magnetica per orientazione. Il campo all’interno del materiale è leggermente maggiore di quello esterno

Nelle sostanze ferromagnetiche, si ha la polarizzazione magnetica per orientazione dei domini. Il campo all’interno del materiale è molto maggiore di quello esterno

B

B

Magneti permanenti e magneti temporanei

• Ferro dolcemagneti temporanei (elettromagneti)

• Acciaio magneti permanenti

(ciclo di isteresi)

• Ferriti magneti permanenti (ossidi di ferro con aggiunta di zinco, nichel) memorie magnetiche

Magneti permanenti: ciclo di isteresi

• magneti permanenti

(campo coercitivo Hc o temperatura di Curie)

• memorie magnetiche (ossidi di ferro con aggiunta di zinco, nichel)

Shanghai Transrapid(maglev: treno a levitazione magnetica)

motore a induzione lineare

La lunga fila di elettromagneti in cui scorre

corrente alternata,

interagisce con i magneti posti sotto il treno,

facendo avanzare il

veicolo

Come funziona il nastro scorrevole per il recupero dei bagagli in aeroporto?

Modello di Ampére del magnetismo dei materiali (ormai superato ma efficace)

Sostanza ferromagnetica

Sostanza diamagnetica

Sostanza paramagnetica