MAGNETISMO. Magneti magneti naturali: magnetite (minerale del ferro Fe 3 O 4 ) magneti artificiali:...
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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