Ai giorni nostri, usiamo i magneti in molti modi diversi. Dal modo in cui una porta del frigorifero è chiusa, fino al modo in cui le tue cuffie riproducono la musica, dalla generazione e trasmissione di elettricità, al motore della tua auto. Tutti usano la forza magnetica in un modo o nell'altro.

Data l'attuale ubiquità dei magneti, la nostra civiltà, se non li avesse, rimarrebbe nuda. Non avremmo modo di spostare la corrente elettrica in tutto il paese; tutti i nostri motori elettrici sarebbero inutili; e non potremmo parlare a distanza, come abbiamo fatto tanto negli ultimi mesi.

A volte diamo troppe cose per scontate. Tuttavia, tutti noi, cioè non solo gli scienziati, dovremmo cercare di capire cos'è il magnetismo, come funzionano i magneti, qual è la relazione molto speciale che esiste tra l’elettricità ed il magnetismo e come funziona tale connessione nel nostro mondo.

Questi saranno i nostri obiettivi in questi articoli: permettere a tutti di capire perché gli elettroni hanno un momento magnetico o perché una corrente elettrica può produrre un campo magnetico. Perché quel flusso magnetico può indurre una carica elettrica, o perché tutto questo è così importante per il nostro mondo.

In questo articolo analizzeremo alcuni dei concetti di base del campo magnetico, nonché le più importanti tecnologie magnetiche. Sei pronto?

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Che cos'è il magnetismo

Iniziamo dal magnetismo.

L'elettromagnetismo è presente ovunque

Il magnetismo è la forza, presente in e tra tutti gli oggetti, prodotta dal movimento degli elettroni e che risulta nell'attrazione e repulsione di oggetti diversi. È una forza "senza contatto" che tocca tutti i diversi oggetti del mondo, in misura maggiore o minore, ed è il risultato del movimento di queste particelle subatomiche, gli elettroni e della loro carica elettrica.

Elettroni, momenti magnetici e i tre tipi di magnetismo

Ogni atomo di qualsiasi sostanza è costituito da particelle (neutroni, elettroni e protoni). Nel magnetismo, ci concentriamo esclusivamente sugli elettroni.

Gli elettroni tendono a orbitare attorno ai neutroni, ciascuno con la propria carica, positiva o negativa. Quello che generalmente accade è che gli elettroni si "accoppiano" con quelli di carica opposta, il che significa che un elettrone con carica negativa si accoppia con uno positivo; in modo tale che la sostanza sarebbe relativamente stabile, poiché tutte le cariche sarebbero bilanciate.

Quando le sostanze hanno elettroni accoppiati, si verifica un fenomeno chiamato diamagnetismo.

Tuttavia, ci sono molti tipi di materiali, come l'ossigeno, in cui troviamo elettroni sciolti. Quando ciò accade, la sostanza diventa molto più magnetica, poiché tutti gli elettroni possono allinearsi. Nella maggior parte di questi materiali, tuttavia, non è così, poiché i "momenti magnetici" di ciascuno di questi singoli elettroni non sono uguali a meno che non siano sotto l'influenza di un campo magnetico esterno.

Queste sostanze che mostrano il loro magnetismo solo quando sono in un campo magnetico esterno sono chiamate sostanze paramagnetiche.

Infine ci sono le sostanze ferromagnetiche. Queste si riferiscono a materiali magnetici in cui troviamo elettroni sciolti dello stesso momento magnetico. In cosa si traduce questo? In quanto possono diventare magnetici spontaneamente e rimarranno magnetici anche dopo la rimozione di un campo magnetico esterno.

In cosa consiste un campo magnetico?

Ogni magnete o oggetto magnetico ha un campo magnetico: tutto ciò che si trova attorno  al magnete dove è presente la sua forza magnetica. Nello specifico, è lo spazio interessato dalla carica magnetica del magnete.

I magneti permanenti e gli elettromagneti hanno campi magnetici di lunga durata, che normalmente possono essere visti attraverso la limatura di ferro, che sono disposti nella forma di linee del campo magnetico. Questi seguiranno il flusso dal polo nord del magnete al suo polo sud.

I campi magnetici cambiano in base alla forza del magnete.

Vuoi saperne di più sui campi magnetici?

Cos'è un elettromagnete?

A parte i momenti magnetici degli elettroni, l'altra cosa che produce campi magnetici sono le cariche elettriche. Questa scoperta, fatta nel 1830, è stata una delle più importanti della storia, poiché creò il legame tra il magnetismo e l’elettricità.

Abbiamo appena visto che gli elettroni di una sostanza hanno una carica magnetica, dovuta al loro movimento all'interno del materiale magnetico.

Tuttavia, il luogo in cui gli elettroni si muovono effettivamente è nelle correnti elettriche, che in realtà sono solo il movimento degli elettroni. Quando le correnti scendono lungo un filo, il filo viene magnetizzato via via che il movimento degli elettroni produce il campo magnetico.

André-Marie Ampère fu colui che lo scoprì, poiché dimostrò che i cavi paralleli si attraggono o si respingono a seconda della direzione in cui passa la corrente. (Più tardi verrà dato il suo nome all'unità dell’ampère, ovviamente.)

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Comprendere le basi del magnetismo e dell'elettromagnetismo è essenziale per la nostra quotidianità.

Come creare un elettromagnete?

Dai primi elettromagneti, la tecnologia in questo senso non è che sia cambiata molto. Sono diventati più forti, sì, ma la struttura generale dei dispositivi rimane la stessa.

Gli elettromagneti sono costituiti da una bobina di filo, avvolta attorno a un nucleo metallico (di solito costituito da un materiale ferromagnetico, come il ferro). Attraverso la bobina di filo, passa  una corrente elettrica, il cui campo magnetico è focalizzato sul foro nella bobina, cioè il nucleo di ferro. L'intera struttura è nota come solenoide ed è ancora utilizzata in tutti i luoghi in cui viene messo in azione l'elettromagnetismo.

Non appena viene tolta la corrente elettrica, il solenoide non è più magnetico.

Una piccola nota sulla relazione tra il magnetismo e l’elettricità

Sebbene sappiamo che l'elettricità produce un campo magnetico e che i campi magnetici dipendono dagli elettroni, la distinzione tra magnetismo ed elettricità è falsa.

Non si tratta di forze discrete. Piuttosto, sono lo stesso principio fisico, come due facce della stessa medaglia. L'"elettromagnetismo" come concetto è in realtà una delle forze fondamentali nell'universo.

Cos'è l'induzione elettromagnetica?

Una delle scoperte più utili nella storia dell'elettromagnetismo è arrivata dalla mano di Michael Faraday, uno scienziato britannico del XIX secolo. Stiamo parlando dell'induzione elettromagnetica, una delle parti centrali di tutto ciò che sappiamo sull'elettromagnetismo fino ad oggi.

Lo sai che è così che viene rappresentato il diagramma di un campo magnetico?

Gli esperimenti di Faraday si concentrarono sul modo in cui i campi magnetici manipolano le cariche elettriche. E immaginò che i cambiamenti in un campo magnetico avrebbero potuto essere usati per indurre una corrente elettrica.

Sebbene possa sembrare complicato, i suoi effettivi esperimenti pratici furono piuttosto semplici. Prese un anello di ferro e avvolse due fili diversi attorno ai lati opposti dell'anello, producendo due solenoidi sullo stesso pezzo di ferro.

Collegò un pezzo di filo a una batteria, ne collegò un altro ad un galvanometro, una macchina che misura le cariche elettriche. Collegando e scollegando il primo cavo dalla batteria si produceva una variazione della carica rilevata dal galvanometro. In questo modo Faraday dimostrò che la variazione del campo magnetico nell'anello di ferro poteva indurre una corrente elettrica nel filo separato.

Per testare le sue idee su questa particolare relazione tra elettricità e magnetismo, fece un altro esperimento. Usando un solenoide senza nucleo (quindi solo una bobina di filo), inserì ed estrasse - una barra magnetica dalla bobina. Quando spinse il magnete più velocemente, scoprì che nel filo veniva prodotta una corrente maggiore.

Perché questo fu così importante? Perché Faraday aprì la strada alla conoscenza che le correnti elettriche non scorrono solo attraverso i cavi, stabilendo il fondamento teorico su cui si arriva a produrre energia elettrica manipolando il suo campo magnetico.

Che cos’è un trasformatore?

I trasformatori sono la parte cruciale della tecnologia utilizzata dalla scienza dell'induzione elettromagnetica.

La comprensione del campo elettromagnetico in fisica è essenziale.

Sono forse i dispositivi elettrici più comuni sul pianeta, con quasi tutta l'energia elettrica che produciamo e utilizziamo passando attraverso almeno un trasformatore nel suo percorso.

Ma cosa sono i trasformatori? Un trasformatore è un dispositivo statico che cambia una corrente ad alta tensione in una a tensione molto più bassa. Lo fa per la presenza di due solenoidi adiacenti e per induzione elettromagnetica di Faraday.

L'elettricità viene trasmessa attraverso massicce reti elettriche in tutto il paese (e in tutto il continente). Ma affinché il prezzo non aumenti, l'elettricità che viene trasportata è di altissima tensione. In questo modo si riduce lo spreco di energia e significa che i cavi stessi non devono essere enormi.

Tuttavia, non possiamo effettivamente utilizzare l'elettricità ad alta tensione. Prima che l'elettricità venga distribuita localmente nelle nostre case, deve essere trasformata in elettricità a basso voltaggio. Per questo abbiamo i trasformatori.

Riduzione della tensione di corrente

Con la legge di Faraday si dimostra come l'induzione elettromagnetica possa essere utilizzata per ridurre e aumentare la tensione delle correnti elettriche.

Torniamo brevemente al suo esperimento: usò due bobine diverse, in cui le variazioni del campo magnetico tra le due inducevano una corrente elettrica nella seconda.

Tuttavia, se si varia il numero di bobine del cavo, la tensione della corrente indotta può variare. Supponiamo che tu abbia dieci bobine sul primo filo, puoi semplicemente dimezzare il numero di bobine sul secondo e ottenere metà della tensione.

Questo è esattamente il modo in cui funzionano i trasformatori.

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Paola

Traduttrice, insegnante, chissà un giorno....scrittrice. Ma con un'infinita passione per le lingue straniere