Magnetismo

1. Termodinamica

   • Il principio zero della termodinamica
   • Misura della temperatura
   • Lo zero assoluto
   • Grandezze di stato
   • La mole e il calore specifico molare
   • Trasformazioni dei gas: isobara e isoterma
   • Trasformazioni dei gas: isocora
   • Legge di stato dei gas perfetti
   • Teoria cinetica dei gas
   • Teoria cinetica dei gas 2
   • Energia interna
   • Principio di equipartizione dell'energia
   • Primo principio della termodinamica
   • I principio nelle isocore
   • I principio nelle isobare
   • I principio nelle isoterme
   • Adiabatica
   • Quadro di alcune trasformazioni
   • Problemi sul primo principio della termodinamica
   • Processi irreversibili
   • Macchine termiche
   • Secondo principio della termodinamica
   • Frigoriferi
   • Entropia
   • Leggi probabilistiche e deterministiche
   • Modello di Ehrenfest
   • Problemi sul secondo principio della termodinamica

2. Campi elettrici

   • Breve storia dell'elettricità
   • Corrente e carica elettrica
   • La forza elettrica
   • Dall'azione a distanza al concetto di campo
   • Linee di campo
   • Carica in un campo elettrico uniforme
   • Polarizzazzione dei dielettrici
   • Flusso elettrico attraverso una superficie piana
   • Flusso elettrico su superficie gaussiana
   • Legge di Gauss
   • Campo uniforme
   • Campo radiale
   • Sfera carica
   • Modelli atomici a confronto
   • Il campo elettrico è conservativo
   • Una nuova grandezza di campo: il potenziale elettrico
   • Superfici equipotenziali
   • Energia elettrica in un campo radiale
   • Potenziale elettrico in un campo radiale
   • Circuitazione del campo elettrico
   • Problemi sui campi elettrici

3. Corrente continua

   • La pila di Volta
   • Conduttori metallici
   • Resistenza elettrica
   • Semiconduttori
   • Legge di Ohm
   • Forza elettromotrice
   • Elementi di un circuito
   • Legge della maglia
   • Legge del nodo
   • Potenza elettrica
   • Capacità di un condensatore
   • Condensatori in serie e parallelo
   • Carica e scarica di un condensatore
   • Problemi sulla corrente continua

4. Magnetismo

   • Calamite e campo magnetico terrestre
   • Legge di Gauss per il magnetismo
   • Esperienza di Oersted
   • Interazioni tra magneti e cariche elettriche
   • Campo magnetico
   • Forza elettromagnetica
   • Campi incrociati
   • Cariche in moto circolare
   • Acceleratori di particelle
   • Effetto Hall
   • Scoperta dell'elettrone
   • Conduttore rettilineo nel campo magnetico
   • Spira in un campo magnetico
   • Legge di Ampère
   • Legge di Biot Savart
   • Forze tra correnti
   • Forza tra corrente e carica in moto
   • Campo magnetico in una bobina
   • Proprietà magnetiche della materia
   • Equazioni di Maxwell per campi stazionari

Spira in un campo magnetico

Vediamo ora l'effetto di un campo magnetico esterno su un circuito chiuso percorso da corrente e interamente immerso in esso. Un circuito chiuso è formato da un filo conduttore avvolto in modo da delimitare una superficie chiusa. Esso è caratterizzato dall'intensità della corrente che scorre nel filo, dal suo verso, dalla superficie racchiusa e dal numero degli avvolgimenti (o spire) del filo.

E' opportuno, a questo punto, definire una nuova grandezza vettoriale che permette di descrivere in modo semplice il comportamento del circuito nel campo magnetico. Si chiama momento di dipolo magnetico μ o semplicemente momento magnetico un vettore perpendicolare al piano delle spire, diretto dalla parte in cui si vede la corrente circolare in verso antiorario. Se N è il numero delle spire, i l'intensità di corrente e A la superficie racchiusa, l'intensità del vettore μ vale:

L'unità di misura del momento magnetico è A m².

Tutti i lati della spira sono perpendicolari al campo e quindi essi sono sottoposti ad una forza magnetica massima. Sui lati a agiscono due forze opposte di modulo Fa = i a B, sui lati b altre due forze opposte di modulo Fb = i b B.

Queste due coppie agiscono lungo la stessa retta d'azione e tendono ad allargare (o a comprimere) la spira. Se la spira è rigida, non hanno alcun effetto su di essa: la spira rimane in equilibrio nel campo. Possiamo dire che la posizione di equilibrio della spira è quella in cui è massimo il flusso di campo magnetico attraverso la spira. E' una posizione di equilibrio stabile? Che cosa succede alterando questa posizione?

I lati a della spira non sono più perpendicolari al campo e le forze magnetiche diminuiscono, ma continuano ad agire lungo la stessa retta d'azione e non provocano rotazioni. Le forze che che agiscono sui lati b, invece, formano una coppia a momento meccanico non nullo e tendono a far ruotare la spira, riallineando il momento di dipolo con il campo esterno.

Questo movimento rotatorio della spira è alla base del funzionamento dei motori elettrici: dal punto di vista energetico, l'energia elettrica (utilizzata per far circolare la corrente) si trasforma in energia di movimento. C'è una semplice relazione che collega il momento meccanico τ della coppia di forze al momento di dipolo μ ed al vettore B:

In generale, una spira di qualsiasi forma percorsa da corrente e immersa in un campo magnetico esterno tende a ruotare allineando il proprio momento magnetico con il campo magnetico. Il comportamento della spira è analogo a quello di un aghetto di bussola (o di un qualunque magnete rettilineo a barra) : anche esso tende a ruotare per allinearsi con le linee di campo. Sia alla spira, sia al magnete a barra (due oggetti del tutto diversi) può essere associato un momento magnetico.

spira percorsa da corrente	magnete a barra
Il momento di dipolo μ è perpendicolare al piano della spira ed è legato al valore i della corrente, al numero N degli avvolgimenti ed all'area A racchiusa. μ = N i A	Il momento di dipolo μ è un vettore che ha la direzione del magnete e verso uscente dal polo Nord (e quindi da Sud a Nord all'interno del magnete). La sua intensità dipende dalla potenza della calamita.

A molti oggetti diversi può essere attribuito un momento magnetico: un magnete, un avvolgimento percorso da corrente, ma anche la Terra intera o le particelle elementari che costituiscono la materia. Ecco alcuni valori:

Il magnetone di Bohr fa parte delle costanti fisiche fondamentali e viene assunto (come succede anche per la carica dell'elettrone) come unità microscopica di momento magnetico. Per la fisica classica esso è legato al fatto che l'elettrone che gira intorno al nucleo atomico o intorno a se stesso può essere considerato come una microscopica spira percorsa da corrente, equivalente quindi a un magnetino elementare. In fisica quantistica, invece, l'elettrone (come le altre particelle) diventa un oggetto più sfumato (un po' particella, un po' onda), ma continua a possedere delle caratteristiche intrinseche come la carica, la massa e il momento magnetico.

Copyleft Ludovica Battista