Cenni Generali di Elettromagnetismo

Cenni Generali di Elettromagnetismo

L'elettromagnetismo è la sezione della fisica che studia le relazioni tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici e, in particolare, gli effetti magnetici prodotti da una corrente elettrica, le azioni dei campi magnetici sulle correnti elettriche e i fenomeni di induzione elettromagnetica.

Diversi fenomeni elettrici e magnetici erano già noti ai Greci, che conoscevano le forze prodotte dall'ambra (in greco electron) e della magnetite (dal nome dell'antica regione di Magnesia, da cui si estraeva).

L'inizio di uno studio rigoroso dell'elettricità e del magnetismo si ebbe però solo con W. Gilbert, medico di corte della regina Elisabetta, che cominciò a studiare i fenomeni elettrici e magnetici con una seria metodica sperimentale, conducendo esperienze con un ago magnetico e con una calamita di forma sferica. Giunse così a notare una profonda analogia con la Terra, 'la gran calamita', e nel 1600 pubblicò il fondamentale trattato De magnete, nel quale tentò di spiegare i numerosissimi fenomeni elettrici e magnetici ivi descritti con una sua teoria generale.

Nel Settecento, poi, si ebbe una vera e propria esplosione di interesse per i fenomeni elettrici, interesse che portò alla nascita dell'elettrologia come disciplina scientifica. Nel 1745, P. van Musschenbroek realizzò il primo apparecchio per accumulare elettricità, la cosiddetta bottiglia di Leida; un condensatore elettrico che, generando intense scariche elettriche, consentì di effettuare innumerevoli esperimenti, oggetto di grande interesse anche nei salotti alla moda. In questo periodo, B. Franklin diede inizio alle ricerche intorno al cosiddetto 'potere disperdente delle punte".

Tra il 1780 e il 1789, C. A. Coulomb, con l'aiuto della sua bilancia di torsione, effettuò una serie di osservazioni che lo portarono a concludere che le forze elettriche sono di tipo newtoniano, dipendono cioè dall'inverso del quadrato delle distanze fra i corpi (puntiformi) carichi (legge di Coulomb).

La scoperta più importante di questo periodo, la pila elettrica e la corrente elettrica, derivò dalle ricerche di cui furono protagonisti L. Galvani e A. Volta. Il primo ebbe modo di osservare che i muscoli di una rana si contraevano quando venivano toccati con un conduttore ad arco in presenza di una macchina elettrostatica in funzione. Successive esperienze lo convinsero che la stessa rana era sede di elettricità, detta elettricità animale. Le sue ricerche furono riprese da Volta che constatò, come già Galvani, che il fenomeno della contrazione risultava accentuato se l'arco metallico formato per provocarlo era costituito da due metalli diversi. Volta finì per concludere (1795) che la fonte dell'elettricità non sta nell'organismo vivente bensì nel contatto dei due metalli. Volta costruì poi un generatore di elettricità, oggi noto come pila di Volta (1799), che diede un notevole impulso agli studi sugli effetti chimici e termici determinati dalla corrente elettrica.

L'elettricità divenne così uno dei capitoli più importanti della fisica e della chimica e si ebbero moltissimi risultati di notevole interesse, di cui il più importante fu la scoperta della profonda relazione esistente fra elettricità e magnetismo e la conseguente scoperta di forze non newtoniane, cioè non dipendenti dal quadrato delle distanze. D'allora in avanti lo sviluppo dell'elettricità si è identificato con lo sviluppo dell'elettromagnetismo. Ne è iniziatore il fisico danese H. C. Oersted che il 20 luglio del 1820 annunciò un fondamentale esperimento che mostrava come la corrente elettrica poteva produrre delle forze su un ago magnetico. A questi studi si applicò A. M. Ampère, il quale scoprì e descrisse le forze che si esercitano tra correnti elettriche, fondando così l'elettrodinamica. Ampère, nel 1828, per spiegare i risultati dell'esperienza di Oersted, propose di considerare il magnete come composto da una moltitudine di piccoli circuiti elettrici, tutti paralleli tra loro, con le correnti tutte in moto nello stesso verso.

Le relazioni tra elettricità e magnetismo costituirono il problema fondamentale nell'opera di M. Faraday, che pose le basi teoriche e formulò le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo. Nel 1831, Faraday scoprì il fenomeno dell'induzione elettromagnetica producendo correnti elettriche mediante variazioni di campi magnetici e spiegò il fenomeno introducendo il fondamentale concetto di linee di forza. Da ciò trasse la legge fondamentale dell'induzione, legge rielaborata e resa più rigorosa da E. Lenz. Dai lavori di Faraday prese le mosse J. C. Maxwell, che condensò tutta la teoria in sei equazioni che collegavano in un unico edificio l'elettricità, il magnetismo e l'ottica e introducevano il concetto di onda elettromagnetica. H. Hertz, in seguito, verificò le ipotesi teoriche di Maxwell e riuscì a produrre onde elettromagnetiche che, come la luce, potevano essere riflesse, rifratte e polarizzate, aprendo la via allo sviluppo delle radiotelecomunicazioni.

Leggi dell'Elettromagnetismo

La trattazione rigorosa dell'elettromagnetismo è basata sul concetto di campo elettromagnetico, le cui proprietà sono descritte dalle citate equazioni di Maxwell e che comprende come casi particolari quello di campo elettrico e quello di campo magnetico.

Il campo magnetico, caratterizzato dal vettore induzione magnetica B, prodotto dalla corrente elettrica che percorre un circuito, dipende dall'intensità della corrente e dalla forma del circuito.

Il valore di B può essere calcolato in generale attraverso la cosiddetta prima legge di Laplace. Questa legge assume una forma semplice nel caso di un filo conduttore rettilineo e in quello di un circuito avvolto a spira elicoidale (solenoide) percorsi da una corrente elettrica di intensità i. Nel primo caso, la corrente genera un campo magnetico direttamente proporzionale all'intensità della corrente e inversamente proporzionale alla distanza R del punto considerato dal filo (legge di Biot e Savart): B=u i/(2 R), in cui u è una costante caratteristica del mezzo detta permeabilità magnetica. Le linee di induzione magnetica sono cerchi concentrici aventi i centri nel filo. Nel secondo caso, il campo magnetico è costante e direttamente proporzionale all'intensità della corrente e al numero n di spire per unità di lunghezza (B= uni) e ha direzione parallela all'asse del solenoide.

Le forze meccaniche esercitate da un campo magnetico su un conduttore percorso da corrente immerso nel campo dipendono dal campo magnetico, dall'intensità della corrente, dalla forma del circuito e possono essere calcolate con la cosiddetta seconda legge di Laplace, che in alcuni casi particolari assume una forma semplice. Per esempio, su un conduttore rettilineo di lunghezza l, percorso da una corrente di intensità i, disposto perpendicolarmente alla direzione di un campo magnetico costante, agisce una forza di intensità F=Bil e direzione ortogonale al conduttore e alle linee del campo. Dalla prima e dalla seconda legge di Laplace si ricava la legge di Ampère sulle azioni elettrodinamiche e il teorema di equivalenza di Ampère tra una spira percorsa da corrente di intensità i e un ago magnetico di momento m=uiS (S è la superficie della spira), diretto perpendicolarmente al piano della spira.

La produzione di correnti elettriche con campi magnetici variabili riguarda il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in cui il campo elettromagnetico non può essere studiato analizzando separatamente il campo magnetico da quello elettrico.

Applicazioni Tecniche dell'Elettromagnetismo

Importanti applicazioni di quanto detto sopra sono alcuni strumenti e mezzi a noi familiari, quale il motore elettrico e il telegrafo.

Il motore è quella macchina che fornisce lavoro meccanico trasformando una forma qualsiasi di energia. Nel nostro caso ci interesseremo di motori elettrici, che cioè assorbono e trasformano energia elettrica.

Sperimentalmente una spira di area , in cui il piano sia parallelo alle linee di forza del campo B nel quale si trova immersa, è soggetto ad una coppia di momento di coppia scalare:

M=iAB

dove i è l'intensità della corrente che circola nella spira e M il momento magnetico.

Un solenoide costituito da un lungo filo conduttore avvolto elicoidalmente, può considerarsi come un insieme n di spire per cui il momento agente si può calcorare moltiplicare per n la relazione precedente.

M=NiAB

Su ciò si fonda il funzionamento del motore elettrico a corrente continua.

Quando il piano della spira è parallelo alle linee di forza del campo magnetico, il momento della coppia ha intensità massima e la spira, considerato il verso della corrente, ruota in senso antiorario intorno all'asse A.

Però, superata per inerzia la posizione in cui il piano della spira è perpendicolare alle linee di forza, il momento della coppia motrice cambia verso, per cui la spira si ferma ed inverte il senso di rotazione.

Si verifica quindi una serie di oscillazioni smorzate a causa di inevitabili attriti intorno alla posizione di equilibrio finché il piano della spira non si ferma perpendicolarmente alle linee di forza.

È evidente che si realizzerebbe un moto rotatorio continuo se si riuscisse ad invertire il senso della corrente, cioè se il piano si trovasse sempre nella posizione appena descritta o ruotata di 180°. Per far ciò si utilizzano dei contatti striscianti, in modo da invertir eil senso della spira ogni mezzo giro.

Il motore elettrico a corrente continua si realizza sostituendo la spira con un tamburo girevole sul quale sono avvolte più bobine. I contatti striscianti devono essere sistemati in modo tale da far passare corrente in quella bobina, il cui piano, durante la rotazione del tamburo, si trova ad essere meno inclinato degli altri rispetto alle linee di forza del campo magnetico.

Il telegrafo è dispositivo ottico, meccanico o elettromeccanico impiegato per lo scambio di messaggi mediante la trasmissione e la ricezione di segnali in codice.

Il più importante di questi dispositivi è il  Telegrafo Morse (o elettrico), apparato telegrafico scrivente a funzionamento elettromagnetico, brevettato da S. Morse.

È costituito essenzialmente da un generatore elettrico (batteria di pile), una linea di alimentazione e un elettromagnete (ricevitore) che attrae un blocchetto metallico quando viene alimentato attraverso la linea. In serie alla linea è collegato un tasto (trasmettitore o manipolatore) che consente di inviare corrente in linea o di interromperla, provocando il movimento del blocchetto. Quest'ultima porta un nastro di carta che si svolge con velocità costante quando la corrente è in linea; secondo la durata degli impulsi, il nastro viene spinto a contatto con una punta scrivente che traccia su di esso i segnali caratteristici del codice Morse (punti e linee) in relazione al tempo durante il quale il manipolatore viene premuto.

In pratica si ha che premendo il tasto il circuito elettrico si chiude attraverso il suolo, l'elettrocalamita  si eccita ed attira il blocchetto di ferro. Di conseguenza la punta si solleva e preme un nastro di carta continuo che scorre in modo regolare contro una rotellina bagnata di inchiostro. La rotellina traccia sulla carta un segno più o meno lungo a seconda di quanto si tiene premuto il tasto. Il telegrafo è un dispositivo che funziona grazie alla proprietà dei nuclei ferromagnetici di magnetizzarsi e smagnetizzarti molto rapidamente.