Magneti e Magnetismo

I magneti naturali esistono da sempre - la magnetite è un minerale di ferro scoperto nell'antica città di Magnesia oltre 2500 anni fa. Quando tocchi un pezzo di ferro con una calamita, quel ferro diventa un magnete artificiale temporaneo.

Ogni magnete ha sempre due poli magnetici: Nord e Sud. Come per le cariche elettriche, poli uguali si respingono $N-N, S-S$ mentre poli opposti si attraggono $N-S$. È impossibile avere un polo isolato!

La Terra stessa è un gigantesco magnete. Attenzione però: il polo Nord geografico corrisponde al polo Sud magnetico terrestre, ecco perché l'ago della bussola punta verso nord.

💡 Curiosità: Se spezzi una calamita a metà, non ottieni due poli separati ma due nuovi magneti completi, ognuno con entrambi i poli!

Campo Magnetico

Il campo magnetico è lo spazio intorno a un magnete dove si manifestano le forze magnetiche. Si indica con B ed è un campo vettoriale - ha direzione e verso specifici.

Le linee di campo escono sempre dal polo Nord ed entrano nel polo Sud. Quando le linee sono parallele e equidistanti, il campo è uniforme - come tra le facce di due magneti piatti affiancati.

Puoi visualizzare il campo magnetico spargendo limatura di ferro intorno a una calamita. Le particelle si allineano seguendo le linee invisibili del campo, creando quei caratteristici pattern curvi che hai sicuramente visto negli esperimenti.

A differenza del campo elettrico, dove le cariche possono esistere singolarmente, nel magnetismo poli Nord e Sud sono sempre accoppiati. Questo è uno dei misteri più affascinanti della fisica!

💡 Trucco per l'esame: Ricorda che le linee di campo non si intersecano mai - ogni punto dello spazio ha una sola direzione del campo magnetico.

Corrente e Campo Magnetico: Oersted e Faraday

Nel 1820 Oersted fece una scoperta rivoluzionaria: un filo percorso da corrente elettrica genera un campo magnetico intorno a sé. L'ago di una bussola vicino al filo si orienta perpendicolarmente, provando l'esistenza del campo.

L'anno dopo, Faraday scoprì l'opposto: un filo immerso in un campo magnetico, quando è percorso da corrente, subisce una forza. Questa forza è sempre perpendicolare sia al filo che al campo magnetico.

Il dipolo magnetico si forma anche spezzando una calamita: ogni frammento mantiene entrambi i poli, creando nuovi magneti più piccoli ma completi.

Questi esperimenti rivelarono la connessione fondamentale tra elettricità e magnetismo - due facce della stessa medaglia fisica che oggi chiamiamo elettromagnetismo.

💡 Esperimento mentale: Immagina di tenere un filo dritto con corrente: il campo magnetico forma cerchi concentrici intorno al filo, come le onde nell'acqua quando lanci un sasso.

Legge di Ampère: La Forza tra Fili

Ampère unificò gli esperimenti precedenti con una legge matematica precisa. Due fili paralleli percorsi da corrente esercitano forza reciproca: si attraggono se le correnti vanno nella stessa direzione, si respingono se vanno in direzioni opposte.

La formula di Ampère è: |F| = Km(i₁i₂ℓ)/d, dove i sono le correnti, ℓ la lunghezza del filo e d la distanza tra i fili. La costante Km dipende dalla permeabilità magnetica del vuoto (μ₀).

Dal lavoro di Faraday ricaviamo il modulo del campo magnetico: B = F/(iℓ). L'unità di misura è il Tesla (T), un campo molto intenso - la Terra ha un campo di appena 0.00005 T!

La bellezza di queste leggi sta nella loro simmetria: la corrente crea campo magnetico, e il campo magnetico agisce sulla corrente.

💡 Ricorda: Un Tesla è enorme! I magneti degli ospedali per la risonanza magnetica arrivano a 1-3 Tesla.

Campo di un Filo: Regola della Mano Destra

Quando la corrente scorre in un filo, il campo magnetico forma cerchi concentrici intorno ad esso. Per trovare la direzione usa la regola della mano destra: pollice verso la corrente, le altre dita indicano la direzione del campo.

La legge di Biot-Savart calcola l'intensità: B = (μ₀i)/(2πd), dove d è la distanza dal filo. Più ti allontani dal filo, più il campo si indebolisce.

Quando metti un filo di prova (un secondo filo con corrente) nel campo del primo, subisce la forza descritta da Ampère. È così che due fili si "sentono" a distanza attraverso i loro campi magnetici.

Il concetto chiave è che ogni corrente elettrica genera campo magnetico, e ogni campo magnetico può esercitare forze su altre correnti.

💡 Visualizza: Immagina le linee di campo come cerchi invisibili che diventano sempre più grandi e deboli allontanandosi dal filo.

Campo Magnetico di una Spira

Una spira è un filo conduttore piegato a cerchio. Il campo magnetico che genera è più complesso di quello di un filo dritto - le linee avvolgono il filo formando pattern caratteristici.

Nel centro della spira il campo è uniforme e perpendicolare al piano. Sull'asse della spira (la linea che passa per il centro perpendicolarmente al piano) il campo segue la regola della mano destra: pollice verso il campo, dita verso la corrente.

La formula per il centro è: B = (μ₀i)/(2R), dove R è il raggio della spira. Per punti sull'asse lontani dal centro, il calcolo diventa più complesso ma segue sempre gli stessi principi fisici.

La spira è fondamentale perché rappresenta il passaggio dal filo dritto ai dispositivi elettromagnetici più complessi.

💡 Applicazione: Le bobine dei trasformatori elettrici sono fatte di centinaia di spire per amplificare l'effetto magnetico!

Il Solenoide: Magnete Elettrico

Un solenoide è una serie di spire collegate in sequenza, come una molla. All'interno genera un campo magnetico uniforme simile a quello di un magnete a barra, ma controllabile elettricamente!

La formula è sorprendentemente semplice: B = μ₀ni, dove n è il numero di spire per unità di lunghezza $n = N/ℓ$ e i è la corrente. Il campo dipende solo dalla corrente e dalla densità di spire, non dalla posizione interna.

Per avere campo veramente uniforme, il solenoide deve essere molto lungo rispetto al diametro. Solenoidi corti hanno distorsioni alle estremità, come i condensatori a facce finite.

I solenoidi sono ovunque: relè, elettromagneti, altoparlanti, motori elettrici. Sono il ponte tra elettricità e magnetismo controllabile.

💡 Trucco pratico: Aumentare il numero di spire o la corrente intensifica il campo - per questo i motori potenti hanno bobine con migliaia di avvolgimenti.

Forza su Fili in Campi Magnetici

Un filo percorso da corrente in un campo magnetico uniforme subisce sempre una forza perpendicolare sia al filo che al campo. La formula di Faraday: F = BiL quando filo e campo sono perpendicolari.

Se il filo è parallelo al campo magnetico, la forza è zero - non c'è componente perpendicolare. Se forma un angolo α, devi usare: F = BiL sin α, considerando solo la componente perpendicolare del campo.

Il principio è sempre lo stesso: F = iL × B, dove il simbolo × indica il prodotto vettoriale. La direzione della forza segue la regola della mano destra.

Non importa se la corrente è in un filo solido o un fascio di elettroni liberi - l'effetto magnetico è identico.

💡 Applicazione: Questo principio fa funzionare tutti i motori elettrici - la corrente nelle bobine subisce forze che creano rotazione!

Forza di Lorentz: Particelle in Movimento

La forza di Lorentz agisce su qualsiasi carica elettrica in movimento: F = qvB quando velocità e campo sono perpendicolari. È la generalizzazione della forza sui fili, ma per singole particelle cariche.

Caratteristica unica: la forza è sempre perpendicolare al moto, quindi non compie lavoro $W = 0$. La particella non accelera né rallenta, ma cambia solo direzione - la forza è puramente deflettente.

Poiché l'energia cinetica rimane costante, anche la velocità in modulo è costante. La particella si muove su traiettorie curve, spesso circolari, senza mai fermarsi.

Questo effetto è fondamentale: dalla deflessione degli elettroni nei vecchi televisori ai acceleratori di particelle del CERN, tutto si basa sulla forza di Lorentz.

💡 Visualizza: Immagina una biglia che rotola su un tavolo mentre qualcuno la spinge sempre perpendicolarmente - cambierà direzione ma non velocità!