Campi magnetici

Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN

I campi magnetici possono essere generati da cariche in movimento, come una corrente elettrica. Il campo magnetico generato da una corrente può essere calcolato dall'equazione di Maxwell. Inoltre, oggetti magnetici come i magneti a barre possono anche generare campi magnetici a causa della dinamica microscopica delle cariche all'interno del materiale. I campi magnetici eserciteranno forza magnetica su altre cariche in movimento o oggetti magnetici, con la forza proporzionale al campo magnetico. I campi magnetici sono fondamentali per l'elettromagnetismo e sono alla base di molte applicazioni pratiche che vanno dalle bussole alla risonanza magnetica.

Questo esperimento dimostrerà i campi magnetici prodotti da una barra magnetica permanente e da una corrente elettrica, utilizzando piccoli magneti ad ago della bussola che si allineano con i campi magnetici. Questo esperimento dimostrerà anche la forza esercitata dai campi magnetici prodotti da una corrente su un altro filo che trasporta corrente.

I campi magnetici (comunemente indicati come "campi B") possono essere prodotti da cariche mobili (come una corrente elettrica) o "magneti permanenti" (come i comuni magneti a barre) fatti di materiali magnetici (come il ferro). Se si segue la direzione locale del campo magnetico per tracciare le linee del campo vettoriale, queste linee (la cui tangente riflette la direzione locale del campo magnetico e la densità delle linee riflette la forza del campo magnetico locale) sono conosciute come "linee del campo magnetico". Sono linee fittizie che aiutano a visualizzare la distribuzione e la direzione dei campi magnetici.

Ad esempio, un lungo filo dritto che trasporta una corrente elettrica I produrrà un campo magnetico nello spazio circostante: la grandezza del campo magnetico è proporzionale alla corrente I e inversamente proporzionale alla distanza r dal filo; e la direzione del campo magnetico (rappresentato da "linee di campo magnetico") è lungo la direzione tangente circolare attorno al filo (determinata dalla cosiddetta "regola della mano destra", con il pollice che punta lungo la corrente e le dita che si arricciano attorno alla direzione del campo magnetico), raffigurata in Figura 1a. Un solenoide (fatto di molti giri di anelli o bobine di corrente) produrrà un campo magnetico che è anche proporzionale alla corrente nella bobina, e per lo più uniforme e lungo l'asse lungo all'interno del solenoide (determinato anche dalla regola della mano destra, con le dita che si arricciano intorno alla corrente e il pollice che punta lungo il campo magnetico), ma si diffonde e decade al di fuori del solenoide (le linee del campo magnetico torneranno all'altra estremità del solenoide), raffigurato nella Figura 1b. Il modello di campo magnetico prodotto da una barra magnetica è simile a quello di un solenoide, con le linee del campo magnetico che lasciano il polo nord del magnete ed entrano nel polo sud del magnete, come raffigurato nella Figura 1c.

Figura 1: Diagramma che mostra i modelli di campo magnetico (visualizzati dalle linee del campo magnetico) generati da una corrente in linea retta (a), un solenoide (b) e una barra magnetica (c).

Un campo magnetico (B) agirà su altri oggetti magnetici e cariche in movimento. Una piccola barra magnetica (come un ago della bussola) posta in un campo magnetico tenderebbe ad essere allineata con il campo magnetico locale (il che significa che l'asse sud-nord della barra magnetica è lungo la direzione del campo magnetico locale, che è anche il modo in cui l'ago della bussola funziona per rilevare la direzione del campo magnetico terrestre). Un campo magnetico eserciterà una forza di Lorentz su una carica in movimento. La forza è proporzionale al campo magnetico locale (B), alla carica (q) e alla sua velocità (v), e punta in una direzione perpendicolare sia al moto che al campo magnetico. Il vettore di forza di Lorentz (F) è proporzionale al prodotto vettoriale tra v e B ed è dato da:

Pertanto, quando F è zero, la direzione del movimento è parallela al campo magnetico, ma altrimenti piegherebbe la traiettoria del moto della carica. A causa della forza di Lorentz, un campo magnetico esercita anche una forza su un filo che trasporta corrente (purché la corrente non sia parallela alla direzione del campo magnetico).

1. Visualizza le linee del campo magnetico

1. Ottenere un segmento di filo conduttore dritto (lungo almeno diversi cm) e una sorgente di corrente CC.
2. Ottenere una piastra con un foro nel mezzo e diversi piccoli aghi della bussola sulla piastra, ciascuno montato su un perno e liberamente ruotabile.
3. Alimentare il filo conduttore attraverso il foro in modo che la sezione diritta sia perpendicolare alla piastra. Collegare il filo conduttore alla sorgente di corrente CC, come illustrato nella Figura 2a. Il collegamento può essere effettuato da cavi con morsetti.
4. Accendere la sorgente di corrente e fornire +5 A di corrente nel filo. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.
5. Invertire la corrente a -5 A e osservare nuovamente il comportamento dell'ago della bussola.
6. Scollegare e rimuovere il filo conduttore e la sorgente di corrente. Ottenere e portare una barra magnetica permanente con il suo asse lungo parallelo alla scheda, per avvicinarsi alla piastra dal lato, con l'estremità nord del magnete più vicina alla piastra, come mostrato nella Figura 2b. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.
7. Capovolgere l'orientamento della barra magnetica, con ora la sua estremità sud più vicina alla piastra. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.

Figura 2: Diagramma che mostra le configurazioni sperimentali utilizzando(a) unacorrente che scorre in un segmento rettilineo di filo che corre perpendicolarmente a una piastra e attraverso il foro centrale sulla piastra; o(b)una barra magnetica portata vicino alla piastra e orientata perpendicolarmente alla piastra, per generare campi magnetici, che orienteranno gli aghi della bussola sulla piastra lungo la direzione dei campi magnetici locali.

2. Effetto del campo magnetico

1. Ottenere due fili conduttori lunghi e paralleli ancorati su una struttura, come mostrato nella Figura 3a. Se necessario, si può usare un telaio in legno con due barre parallele (superiore e inferiore) e ancorare o nastro adesivo le due estremità dei fili alle due barre.
2. Utilizzare cavi e morsetti per collegare i due fili in serie e alla fonte di alimentazione, con l'estremità superiore di un filo collegata all'estremità inferiore dell'altro filo, come mostrato nella Figura 3a.
3. Accendere la fonte di alimentazione in modo che la corrente fluisca nella stessa direzione (scorrendo dall'alto verso il basso) nei due fili. Osservare i due fili quando la corrente è accesa.
4. Spegnere e scollegare la fonte di alimentazione, ora ricollegare i due fili in modo tale che ora siano collegati di nuovo in serie alla sorgente, ma con le estremità superiori dei due fili cortocircuitate, come mostrato nella Figura 3b.
5. Ora accendi la fonte di alimentazione e osserva che la corrente scorrerà attraverso i due fili in direzioni opposte. Osservate i due fili.

Figura 3: Diagramma che mostra le configurazioni sperimentali di due fili paralleli con corrente che scorre nelle stesse direzioni(a)o opposte(b).

Per i passaggi 1.3-1.4, prima che la corrente venga accesa, gli aghi della bussola sono orientati in modo casuale. Dopo aver acceso la corrente, che scorre nel filo dall'alto verso il basso, gli aghi della bussola si allineeranno con il campo magnetico locale in uno schema circolare, come illustrato nella Figura 4a (vista dall'alto). Dopo aver invertito la corrente, il campo magnetico si inverte, così come gli orientamenti delle bussole, come illustrato nella Figura 4b.

Figura 4: Diagramma che mostra i modelli rappresentativi degli aghi della bussola che rispondono ai campi magnetici indotti dalla corrente (a) quando la corrente è positiva come mostrato nella configurazione mostrata nella Figura 2a, dove la corrente scorre dall'alto verso il basso, e (b) quando la corrente si inverte (ora dal basso verso l'alto).

Per i passaggi 1.6-1.7, gli aghi della bussola si orienteranno lungo i campi magnetici locali creati dalla barra magnetica (il cui modello di campo magnetico è mostrato in Figura 1c). La Figura 5a (e 5b) raffigura il modello rappresentativo degli aghi della bussola quando l'estremità nord (o sud) del magnete è più vicina alla piastra. Si noti che quando la polarità della barra magnetica si inverte, così fa il campo magnetico che crea, e così fanno gli orientamenti di tutti gli aghi della bussola.

Figura 5: Diagramma che mostra i modelli rappresentativi degli aghi della bussola che rispondono ai campi magnetici generati dalla barra magnetica (a) nella configurazione mostrata in Figura 2b, con il polo nord del magnete più vicino alla piastra; e (b) con polarità invertita, con il polo sud del magnete più vicino alla piastra.

Per la Sezione 2, i due fili saranno visti per attirarsi l'un l'altro quando le correnti che scorrono in essi hanno la stessa direzione e si respingono a vicenda quando le correnti in essi hanno direzioni opposte. Ciò è dovuto alla forza di Lorentz del campo magnetico generato da una corrente che agisce sull'altro filo che trasporta corrente. Per la situazione in Figura 3a (le correnti in due fili hanno la stessa direzione), il campo magnetico (B) prodotto dal filo sinistro punta nella pagina nella posizione del filo destro (secondo la regola della mano destra, così come nella Figura 4b), e quindi la forza di Lorentz determinata dal prodotto vettoriale di qv (lungo la direzione corrente) e B punterà a sinistra (quindi attraente). La forza si inverte (puntando a destra, quindi repulsiva) per la situazione in Figura 3b, quando la corrente nel filo destro si inverte (qv si inverte). Le direzioni della forza dovuta al campo magnetico creato dal filo sinistro che agisce sul filo destro sono rappresentate da frecce rosse nella Figura 3.

In questo esperimento, abbiamo visualizzato i campi magnetici usando aghi della bussola che si orientano con il campo magnetico locale. Abbiamo anche dimostrato la forza di Lorentz di un campo magnetico prodotto da una corrente su un'altra corrente quasi parallela.

I campi magnetici svolgono un ruolo importante nella nostra vita quotidiana e nella tecnologia. Sono generati da magneti a barre comunemente usati o "magneti da cucina" e elettromagneti (solenoidi) e vengono utilizzati per raccogliere altri oggetti magnetici. La Terra genera anche un campo magnetico ed è così che un ago della bussola (che si allinea con il campo magnetico locale) viene utilizzato per dire la direzione (si noti il polo sud magnetico della terra come un magnete è in realtà vicino al polo nord geografico, in modo tale che il campo magnetico sulla superficie terrestre punti verso la direzione nord geografica). Anche la risonanza magnetica (MRI), un importante strumento diagnostico in medicina, ha bisogno di un forte campo magnetico per funzionare.

L'autore dell'esperimento riconosce l'assistenza di Gary Hudson per la preparazione del materiale e Chuanhsun Li per aver dimostrato i passaggi del video.