Fisica

Obiettivo di apprendimento

Alla fine di questa sezione, sarai in grado di:

  • Definire il campo magnetico e descrivere le linee di campo magnetico di vari campi magnetici.

Si dice che Einstein fosse affascinato da una bussola da bambino, forse riflettendo su come l’ago sentisse una forza senza un contatto fisico diretto. La sua capacità di pensare profondamente e chiaramente all’azione a distanza, in particolare per le forze gravitazionali, elettriche e magnetiche, gli permise in seguito di creare la sua rivoluzionaria teoria della relatività. Poiché le forze magnetiche agiscono a distanza, definiamo un campo magnetico per rappresentare le forze magnetiche. La rappresentazione pittorica delle linee del campo magnetico è molto utile per visualizzare la forza e la direzione del campo magnetico. Come mostrato nella figura 1, la direzione delle linee del campo magnetico è definita come la direzione in cui punta l’estremità nord dell’ago di una bussola. Il campo magnetico è tradizionalmente chiamato campo B.

Tre diagrammi che illustrano le linee del campo magnetico. La figura a mostra un magnete a barra con un certo numero di bussole disposte lungo il magnete su entrambi i lati. Gli aghi delle bussole al polo nord del magnete punto lontano dal polo. Gli aghi delle bussole al polo sud del magnete puntano verso il polo. Gli aghi delle bussole tra i due poli puntano parallelamente al magnete, verso il polo sud. La figura b mostra delle linee che corrono dal polo nord verso l'esterno e intorno al polo sud. La figura c mostra le linee come anelli chiusi che corrono dal polo nord fuori dal magnete e intorno al polo sud, e poi su attraverso il magnete al polo nord.

Figura 1. Le linee del campo magnetico sono definite per avere la direzione che una piccola bussola punta quando è posta in un luogo. (a) Se si usano piccole bussole per mappare il campo magnetico intorno a un magnete a barra, esse punteranno nelle direzioni mostrate: lontano dal polo nord del magnete, verso il polo sud del magnete. (Ricorda che il polo magnetico nord della Terra è in realtà un polo sud in termini di definizioni dei poli su un magnete a barra). (b) Collegando le frecce si ottengono linee di campo magnetico continuo. La forza del campo è proporzionale alla vicinanza (o densità) delle linee. (c) Se si potesse sondare l’interno del magnete, si troverebbe che le linee di campo formano anelli chiusi continui.

Piccole bussole usate per testare un campo magnetico non lo disturbano. (Questo è analogo al modo in cui abbiamo testato i campi elettrici con una piccola carica di prova. In entrambi i casi, i campi rappresentano solo l’oggetto che li crea e non la sonda che li prova). La figura 2 mostra come appare il campo magnetico per un anello di corrente e un lungo filo dritto, come potrebbe essere esplorato con piccole bussole. Una piccola bussola posta in questi campi si allineerà parallelamente alla linea di campo nella sua posizione, con il suo polo nord che punta nella direzione di B. Notate i simboli usati per il campo dentro e fuori la carta.

Figura a: campo magnetico di un loop di corrente circolare con una corrente che si muove in senso antiorario. Le linee di campo sono anch'esse approssimativamente circolari, e corrono verso l'alto attraverso il centro dell'anello di corrente, e verso il basso all'esterno dell'anello. Figura b: un filo dritto con una corrente che corre dritta verso l'alto. Le linee del campo magnetico circondano il filo in senso antiorario. Figura c: una mano destra con il pollice che punta verso l'alto, parallela a un filo con la corrente che corre verso l'alto. Le figure della mano si arricciano intorno al filo in senso antiorario per mostrare la direzione del campo magnetico quando la corrente è verso l'alto. Il simbolo per rappresentare le linee del campo magnetico che corrono fuori dalla superficie e verso lo spettatore - fuori - è un cerchio con un cerchio venduto all'interno. Il simbolo per rappresentare le linee del campo magnetico che corrono verso la superficie e lontano dall'osservatore - B in - è rappresentato da un cerchio con una x al suo interno. Quando la corrente corre dritta verso l'alto, B out è a sinistra e B in è a destra.

Figura 2. Piccole bussole potrebbero essere usate per mappare i campi mostrati qui. (a) Il campo magnetico di un anello di corrente circolare è simile a quello di un magnete a barra. (b) Un filo lungo e dritto crea un campo con linee di campo magnetico che formano anelli circolari. (c) Quando il filo è nel piano della carta, il campo è perpendicolare alla carta. Nota che i simboli usati per il campo che punta verso l’interno (come la coda di una freccia) e il campo che punta verso l’esterno (come la punta di una freccia).

Fare connessioni: Concetto di campo

Un campo è un modo di mappare le forze che circondano qualsiasi oggetto che può agire su un altro oggetto a distanza senza apparente connessione fisica. Il campo rappresenta l’oggetto che lo genera. I campi gravitazionali mappano le forze gravitazionali, i campi elettrici mappano le forze elettriche e i campi magnetici mappano le forze magnetiche.

L’esplorazione approfondita dei campi magnetici ha rivelato una serie di regole ferree. Usiamo linee di campo magnetico per rappresentare il campo (le linee sono uno strumento pittorico, non un’entità fisica in sé e per sé). Le proprietà delle linee di campo magnetico possono essere riassunte da queste regole:

  1. La direzione del campo magnetico è tangente alla linea di campo in qualsiasi punto dello spazio. Una piccola bussola indicherà la direzione della linea di campo.
  2. La forza del campo è proporzionale alla vicinanza delle linee. È esattamente proporzionale al numero di linee per unità di superficie perpendicolare alle linee (chiamata densità areale).
  3. Le linee del campo magnetico non possono mai incrociarsi, il che significa che il campo è unico in qualsiasi punto dello spazio.
  4. Le linee del campo magnetico sono continue, formando anelli chiusi senza inizio né fine. Vanno dal polo nord al polo sud.

L’ultima proprietà è legata al fatto che i poli nord e sud non possono essere separati. È una differenza distinta dalle linee di campo elettrico, che iniziano e finiscono sulle cariche positive e negative. Se esistessero i monopoli magnetici, le linee di campo magnetico inizierebbero e finirebbero su di essi.

Riassunto della sezione

  • I campi magnetici possono essere rappresentati pittoricamente da linee di campo magnetico, le cui proprietà sono le seguenti:
    • Il campo è tangente alla linea del campo magnetico.
    • L’intensità del campo è proporzionale alla densità della linea.
    • Le linee di campo non possono incrociarsi.
    • Le linee di campo sono anelli continui.

Domande concettuali

  1. Spiega perché il campo magnetico non sarebbe unico (cioè non avrebbe un unico valore) in un punto dello spazio dove le linee di campo magnetico potrebbero incrociarsi. (Considera la direzione del campo in un tale punto.)
  2. Elenca i modi in cui le linee del campo magnetico e quelle del campo elettrico sono simili. Per esempio, la direzione del campo è tangente alla linea in qualsiasi punto dello spazio. Elenca anche i modi in cui differiscono. Per esempio, la forza elettrica è parallela alle linee del campo elettrico, mentre la forza magnetica sulle cariche in movimento è perpendicolare alle linee del campo magnetico.
  3. Nota che le linee del campo magnetico di un magnete a barra assomigliano alle linee del campo elettrico di una coppia di cariche uguali e opposte, ti aspetti che il campo magnetico diminuisca rapidamente in forza con la distanza dal magnete? Questo è coerente con la vostra esperienza con i magneti?
  4. Il campo magnetico terrestre è parallelo al suolo in tutti i luoghi? Se no, dove è parallelo alla superficie? La sua forza è la stessa in tutti i luoghi? Se no, dove è maggiore?

Glossario

campo magnetico: la rappresentazione delle forze magnetiche campo B: un altro termine per campo magnetico linee di campo magnetico: la rappresentazione pittorica della forza e della direzione di un campo magnetico direzione delle linee di campo magnetico: la direzione in cui punta l’estremità nord di un ago di bussola

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