PROPRIETA’ MAGENTICHE DELLA MATERIA : ( da p 253 a p 258 )
Alcuni materiali sono facilmente magnetizzabili mentre altri non lo sono : sul perché di ciò è stata formulata un’ipotesi : sapendo che una corrente elettrica produce un campo magnetico ( sappiamo ciò grazie agli studi compiuti dal fisico danese Hans Christian Oersted, che fu il primo a parlare di elettromagnetismo e a capire la correlazione di fondo che esiste tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici ) e confrontando il campo elettrico generato da una corrente, potremmo essere indotti a pensare che, in qualche modo, il campo magnetico della barretta sia generato da correnti elementari interne al magnete stesso ( questa ipotesi fu formulata da Ampere ). Basandoci su un modello “planetari” dell’atomo, in cui gli elettroni ruotano attorno al nucleo dell’atomo stesso come i pianeti attorno al sole, possiamo considerare ogni atomo come un insieme di piccole spire percorse da corrente; se e indica la carica dell’elettrone e T il tempo di rivoluzione attorno l nucleo, ossia il tempo che un elettrone impiega per compiere un giro completo del nucleo atomico, allora l’intensità di corrente I che circola in una spira elementare, essendo per definizione I = ΔQ/ΔT, è data da I = e/T.
Facendo riferimento al momento magnetico totale dell’atomo ( il momento può essere inteso a livello intuitivo come una specie di forza ), si deve dire che esso è dato dalla somma di due momenti, il momento magnetico orbitale che è associato a ciascuna spira, e che intuitivamente rappresenta la rotazione delle particelle attorno al nucleo dell’atomo, e il momento magnetico di spin, che è un momento magnetico intrinseco, che rappresenta la rotazione delle particelle su se stesse ).
Bisogna fare una distinzione tra i vari tipi di sostanze, che possono essere distinte in base al valore della permeabilità relativa μr in : 1) Diamagnetiche , 2) Paramagnetiche e 3) Ferromagnetiche . μr, che è appunto la permeabilità magnetica relativa e che varia da sostanza a sostanza, è un numero puro e rappresenta il rapporto tra la permeabilità magnetica del mezzo materiale μ e la permeabilità magnetica del vuoto μo. Essendo μ = μoμr, μr sarà dato dalla relazione μr = μ/μo.
Le sostanze diamagnetiche, come, per esempio, acqua, bismuto e mercurio hanno una permeabilità magnetica relativa di poco inferiore all’unità, quindi in presenza di un campo magnetico esterno, tendono a indebolirlo leggermente. Le sostanze paramagnetiche, come, per esempio, platino, alluminio e aria hanno una permeabilità magnetica relativa di poco superiore all’unità, quindi in presenza di un campo magnetico esterno, tendono a rafforzarlo leggermente. Le sostanze ferromagnetiche, come, per esempio, il ferro, la magnetite e il cobalto sono le più note in quanto sono le responsabili del comportamento delle calamite e delle bussole. Come le sostanze paramagnetiche, anche esse in presenza di un campo magnetico esterno, tendono a rafforzarlo ma in questo caso lo rafforzano di molto, in quanto possiedono una permeabilità magnetica relativa di molto superiore all’unità. Questo perché fra atomi vicini di questi materiali vi è un forte accoppiamento, che porta alla formazione di grandi gruppi di atomi, detti domini magnetici o di Weiss. A differenza di quanto accade nei materiali paramagnetici, in questo caso l’orientamento dei momenti non è del tutto casuale. Sotto l’azione di un campo magnetico esterno, inoltre, i domini si estendono a spese di altri e l’orientamento magnetico di alcuni di essi tende ad allinearsi al campo magnetico esterno. Questi due fenomeni portano a un grande rinforzo del campo magnetico esterno B.
Per i materiali ferromagnetici il valore di μr dipende fortemente dal campo magnetico esterno B e ciò può essere ben illustrato dal grafico del ciclo di isteresi, che caratterizza le proprietà ferromagnetiche di un materiale.
Per costruirlo si deve aumentare gradualmente la corrente, cosicché il campo magnetico B cresca, seguendo una curva, detta curva di prima magnetizzazione, rappresentata dalla linea in mezzo che parte dall’origine degli assi O; si osserva che il campo B cresce fino a raggiungere un valore di saturazione Bs, oltre il quale, anche aumentando la corrente I, non si ottengono ulteriori incrementi di b. Se diminuiamo poi la corrente fino ad annullarla notiamo che il valore di b si mantiene diverso da zero anche con I = 0 e assume il valore Br, detto magnetizzazione residua o memoria magnetica. Se si cambia senso alla corrente e si applica un opportuno contro campo –B si riesce a smagnetizzare il materiale. Proseguendo in questo senso notiamo che si giunge a un valore –Bs, in cui il campo raggiunge di nuovo un valore di saturazione.
Si può fare una distinzione tra due tipi di ferro in base alla memoria magnetica posseduta: il ferro dolce, che è dotato di una memoria magnetica scarsa e serve per costruire i magneti temporanei, che funzionano solo quando c’è passaggio di corrente e il ferro duro, dotato di una elevata memoria magnetica, usato per costruire i magneti permanenti.
Bisogna inoltre ricordare che la temperature influisce sul magnetismo : in particolare al di sopra di una temperatura molto elevata ( che per il ferro è pari a 770° C ), specifica per ogni materiale, detta temperatura o punto di Curie, una sostanza ferromagnetica si riduce a una paramagnetica., a seguito del disaccoppiamento atomico nei domini, dovuto appunto alla variazione di temperatura ΔT.
F.E.M. INDOTTA: LA LEGGE FARADAY-NEUMANN-LENZ : ( da p. 277 a p 283 )
Con il termine forza elettromotrice, si fa riferimento al concetto fisico di differenza di potenziale,; essa si misura quindi in volt, non in Newton in quanto non si fa riferimento al concetto fisico di forza. Le forze elettromotrici e le correnti vengono condotte nelle spire di un materiale dall’induzione elettromagnetica ( per questo si parla di forza elettromotrice indotta ), la quale si verifica quando varia il numero di linee di forza del campo magnetico che attraversano le spire. Si può produrre dunque una forza elettromotrice indotta in una spira di filo conduttore, facendo variare il numero di linee di forza del campo magnetico che attraversano la spira.
Molto importante, per quanto riguarda la forza elettromotrice indotta, è la legge di Faraday-Neuman-Lenz. In base ai suoi esperimenti, Faraday giunse alla conclusione che la forza elettromotrice indotta in un spira dipende dalla rapidità di variazione del numero di linee di forza del campo che attraversano la spira, ossia dalla rapidità di variazione del flusso magnetico concatenato con tutte le spire. Questo risultato è noto come legge di Fraday-Neumann ( o, più precisamente, come legge di Faraday-Neuman-Lenz, in quanto Lenz aggiunse un meno davanti alla equazione esplicativa di tali risultati ), ed è espresso matematicamente dalla relazione : fe.m. = - ΔΦB/Δt dove ΔΦB è la variazione del flusso attraverso una spira di filo conduttore in un intervallo di tempo Δt. Il segno meno è importante in quanto dà una indicazione circa la polarità, circa cioè il verso della forza elettromotrice indotta. Tale polarità si ricava osservando il verso della corrente indotta e i suoi effetti, in accordo con una legge, nota appunto come Legge di Lenz, dal nome del fisico russo che per primo la formulò nel modo seguente : Il verso della corrente causata dalla forza elettromotrice indotta è tale da generare un campo magnetico che si oppone alla variazione del flusso che ha prodotto la forza elettromotrice indotta.
E’ importante inoltre tenere presente un’altra relazione che lega il campo elettrico con quello magnetico che mette in evidenza come la circuitazione del campo elettrico ( qui non si intende con questo termine il campo elettrostatico, in cui le cariche sono ferme, ma si fa riferimento al campo motor sia data dalla variazione del flusso del campo di induzione magnetica per unità di tempo e cioè : CE = - ΔΦB/Δt. Si può quindi dire che una variazione del flusso di campo magnetico attraverso una superficie S induce un campo elettrico la cui circuitazione lungo la linea chiusa che determina la superficie stessa è data da : CE = - ΔΦB/Δt.
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