Interazione di un campo magnetico con una carica
Come interagisce il campo magnetico con un oggetto carico? Se la carica è a riposo, non c’è interazione. Se la carica si muove, tuttavia, viene sottoposta a una forza, la cui dimensione aumenta in proporzione diretta con la velocità della carica. La forza ha una direzione perpendicolare sia alla direzione del movimento della carica che alla direzione del campo magnetico., Ci sono due possibili direzioni esattamente opposte per una tale forza per una data direzione di movimento. Questa apparente ambiguità è risolta dal fatto che una delle due direzioni si applica alla forza su una carica positiva in movimento mentre l’altra direzione si applica alla forza su una carica negativa in movimento. La figura 3 illustra le direzioni della forza magnetica su cariche positive e su cariche negative mentre si muovono in un campo magnetico perpendicolare al movimento.,
per gentile Concessione del Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Stato del Michigan
a Seconda dell’orientamento iniziale della velocità delle particelle del campo magnetico, oneri aventi una velocità costante in un campo magnetico uniforme seguirà una circolare o elicoidale percorso.,
Le correnti elettriche nei fili non sono l’unica fonte di campi magnetici. I minerali naturali presentano proprietà magnetiche e hanno campi magnetici. Questi campi magnetici derivano dal movimento degli elettroni negli atomi del materiale. Derivano anche da una proprietà degli elettroni chiamata momento di dipolo magnetico, che è correlata allo spin intrinseco dei singoli elettroni. Nella maggior parte dei materiali, poco o nessun campo è osservato al di fuori della materia a causa dell’orientamento casuale dei vari atomi costituenti., In alcuni materiali come il ferro, tuttavia, gli atomi entro determinate distanze tendono a allinearsi in una particolare direzione.
I magneti hanno numerose applicazioni, che vanno dall’uso come giocattoli e supporti di carta sui frigoriferi domestici ai componenti essenziali nei generatori elettrici e nelle macchine che possono accelerare le particelle a velocità che si avvicinano a quella della luce. L’applicazione pratica del magnetismo nella tecnologia è notevolmente migliorata utilizzando ferro e altri materiali ferromagnetici con correnti elettriche in dispositivi come motori., Questi materiali amplificano il campo magnetico prodotto dalle correnti e quindi creano campi più potenti.
Mentre gli effetti elettrici e magnetici sono ben separati in molti fenomeni e applicazioni, sono accoppiati strettamente insieme quando ci sono rapide fluttuazioni temporali. La legge di induzione di Faraday descrive come un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico. Importanti applicazioni pratiche includono il generatore elettrico e il trasformatore. In un generatore, il movimento fisico di un campo magnetico produce elettricità per il potere., In un trasformatore, l’energia elettrica viene convertita da un livello di tensione a un altro dal campo magnetico di un circuito che induce una corrente elettrica in un altro circuito.
L’esistenza di onde elettromagnetiche dipende dall’interazione tra campi elettrici e magnetici. Maxwell ha postulato che un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico. La sua teoria predisse l’esistenza di onde elettromagnetiche in cui ogni campo variabile nel tempo produce l’altro campo., Ad esempio, le onde radio sono generate da circuiti elettronici noti come oscillatori che causano correnti rapidamente oscillanti a fluire in antenne; il campo magnetico rapidamente variabile ha un campo elettrico variabile associato. Il risultato è l’emissione di onde radio nello spazio (vedi radiazione elettromagnetica: Generazione di radiazione elettromagnetica).
Molti dispositivi elettromagnetici possono essere descritti da circuiti costituiti da conduttori e altri elementi. Questi circuiti possono funzionare con un flusso costante di corrente, come in una torcia elettrica, o con correnti variabili nel tempo., Elementi importanti nei circuiti includono fonti di potenza chiamate forze elettromotrici; resistori, che controllano il flusso di corrente per una data tensione; condensatori, che immagazzinano temporaneamente carica ed energia; e induttori, che immagazzinano anche energia elettrica per un tempo limitato. I circuiti con questi elementi possono essere descritti interamente con algebra. (Per elementi circuitali più complicati come i transistor, vedere dispositivo a semiconduttore e circuito integrato).,
Due grandezze matematiche associate ai campi vettoriali, come il campo elettrico E e il campo magnetico B, sono utili per descrivere i fenomeni elettromagnetici. Sono il flusso di un tale campo attraverso una superficie e la linea integrale del campo lungo un percorso. Il flusso di un campo attraverso una superficie misura quanto del campo penetra attraverso la superficie; per ogni piccola sezione della superficie, il flusso è proporzionale all’area di quella sezione e dipende anche dall’orientamento relativo della sezione e del campo., L’integrale di linea di un campo lungo un percorso misura il grado in cui il campo è allineato con il percorso; per ogni piccola sezione di percorso, è proporzionale alla lunghezza di quella sezione e dipende anche dall’allineamento del campo con quella sezione di percorso. Quando il campo è perpendicolare al percorso, non vi è alcun contributo all’integrale di linea. I flussi di E e B attraverso una superficie e gli integrali di linea di questi campi lungo un percorso svolgono un ruolo importante nella teoria elettromagnetica., Come esempi, il flusso del campo elettrico E attraverso una superficie chiusa misura la quantità di carica contenuta all’interno della superficie; il flusso del campo magnetico B attraverso una superficie chiusa è sempre nullo, perché non esistono monopoli magnetici (magnetica oneri che consiste in un unico polo) agiscono come sorgenti di campo magnetico in modo che la carica è una sorgente di campo elettrico.