Campo magnetico: definizione, cause, formula, unità e misura (con esempi)

I campi sono tutti intorno a noi. Che si tratti del campo gravitazionale causato dalla massa terrestre o dei campi elettrici creati da particelle cariche come gli elettroni, ci sono campi invisibili ovunque, che rappresentano potenziali e forze invisibili in grado di muovere gli oggetti con appropriato caratteristiche.

Ad esempio, un campo elettrico in un'area significa che un oggetto carico può essere deviato dal suo percorso originale quando entra nella regione, e il campo gravitazionale dovuto alla massa terrestre ti tiene saldamente sulla superficie della Terra a meno che tu non faccia qualche lavoro per superarlo influenza.

I campi magnetici sono la causa delle forze magnetiche e gli oggetti che esercitano forze magnetiche su altri oggetti lo fanno creando un campo magnetico. I campi magnetici possono essere rilevati dalla deflessione degli aghi della bussola che si allineano con le linee di campo (il nord magnetico dell'ago che punta verso il sud magnetico). Se stai studiando elettricità e magnetismo, saperne di più sui campi magnetici e sulla forza magnetica è un passo cruciale nel tuo viaggio.

In fisica in generale, i campi sono vettori con valori in ogni regione dello spazio che indicano quanto è forte o debole un effetto in quel punto e la direzione dell'effetto. Ad esempio, un oggetto con massa, come il sole, crea un campo gravitazionale e di conseguenza altri oggetti con massa che entrano in quel campo sono influenzati da una forza. È così che l'attrazione gravitazionale del sole mantiene la Terra in orbita attorno ad esso.

Più lontano nel sistema solare, come nel raggio dell'orbita di Urano, si applica la stessa forza, ma la forza è molto più bassa. È sempre diretto verso il sole; se immagini un insieme di frecce che circondano il sole, tutte puntate verso di esso ma con lunghezze maggiori a distanza ravvicinata (forza più forte) e lunghezze più piccole a lunghe distanze (forza più debole), hai praticamente immaginato il campo gravitazionale nel solare sistema.

Allo stesso modo, gli oggetti con carica creano campi elettrici e le cariche in movimento generanocampi magnetici, che può dare origine a una forza magnetica in un oggetto carico vicino o in altri materiali magnetici.

Questi campi sono un po' più complicati in termini di forma rispetto ai campi gravitazionali, poiché hanno un loop magnetico linee di campo che emergono dal polo positivo (o polo nord) e terminano al polo negativo (o polo sud), ma riempiono lo stesso ruolo. Sono come linee di forza, che ti dicono come si comporterà un oggetto posizionato in un luogo. Puoi visualizzarlo chiaramente usando la limatura di ferro, che si allineerà con il campo magnetico esterno.

I campi magnetici sonosempre​ ​campi di dipolo, quindi non ci sono monopoli magnetici. Generalmente i campi magnetici sono rappresentati con la letteraB, ma se un campo magnetico passa attraverso un materiale magnetico, questo può polarizzarsi e generare il proprio campo magnetico. Questo secondo campo contribuisce al primo campo, e la combinazione dei due è indicata dalla letteraH, dove

con μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (cioè la permeabilità magnetica dello spazio libero) e K_m essendo la permeabilità relativa del materiale in questione.

La quantità di campo magnetico che attraversa una data area è chiamata flusso magnetico. La densità del flusso magnetico è correlata all'intensità del campo locale. Poiché i campi magnetici sono sempre dipolari, il flusso magnetico netto attraverso una superficie chiusa è 0. (Qualsiasi linea di campo che esce dalla superficie, necessariamente la rientra, annullandosi.)

L'unità SI dell'intensità del campo magnetico è la tesla (T), dove:

1 tesla = 1 T = 1 kg/A s² = 1 Vs/m² = 1 N/A m

Un'altra unità ampiamente utilizzata per l'intensità del campo magnetico è il gauss (G), dove:

1 gauss = 1 G = 10⁻⁴ T

Il tesla è un'unità piuttosto grande, quindi in molte situazioni pratiche il gauss è una scelta più utile, ad esempio un il magnete da frigorifero avrà una forza di circa 100 G, mentre il campo magnetico terrestre sulla superficie della Terra è circa 0,5 g.

Elettricità e magnetismo sono fondamentalmente intrecciati perché i campi magnetici sono generati dal movimento di carica (come le correnti elettriche) o campi elettrici variabili, mentre un campo magnetico variabile genera un'elettricità campo.

In un magnete a barra o in un oggetto magnetico simile, il campo magnetico risulta da diversi "domini" magnetici allineandosi, che a loro volta sono creati dal movimento degli elettroni carichi attorno ai nuclei della loro atomi. Questi movimenti producono piccoli campi magnetici all'interno di un dominio. Nella maggior parte dei materiali, i domini avranno un allineamento casuale e si annulleranno a vicenda, ma in alcuni materiali, i campi magnetici nei domini vicini si allineano e questo produce una scala più ampia magnetismo.

Anche il campo magnetico terrestre è generato dalla carica in movimento, ma in questo caso è il movimento dello strato fuso che circonda il nucleo terrestre che crea il campo magnetico. Questo è spiegato dateoria della dinamo, che descrive come un fluido rotante caricato elettricamente genera un campo magnetico. Il nucleo esterno della Terra contiene ferro liquido in costante movimento, con gli elettroni che viaggiano attraverso il liquido e generano il campo magnetico.

Anche il sole ha un campo magnetico e la spiegazione di come funziona è molto simile. Tuttavia, le diverse velocità di rotazione delle diverse parti del sole (cioè il materiale fluido a diverse latitudini) portano alle linee di campo aggrovigliarsi nel tempo così come molti fenomeni associati al sole, come brillamenti solari e macchie solari, e il solare di circa 11 anni ciclo. Il sole ha due poli, proprio come una barra magnetica, ma i movimenti del plasma solare e l'attività solare gradualmente crescente fanno sì che i poli magnetici si capovolgano ogni 11 anni.

I campi magnetici dovuti a diverse disposizioni di carica in movimento devono essere derivati ​​individualmente, ma ci sono molte formule standard che puoi usare in modo da non dover "reinventare la ruota" ogni tempo. È possibile derivare formule per praticamente qualsiasi disposizione di carica in movimento utilizzando la legge di Biot-Savart o la legge di Ampere-Maxwell. Tuttavia, le formule risultanti per semplici disposizioni di corrente elettrica sono così comunemente usate e citate che è possibile trattarli semplicemente come "formule standard" piuttosto che derivarli ogni volta dalla legge di Biot-Savart o di Ampere-Maxwell.

Il campo magnetico di una corrente lineare è determinato dalla legge di Ampere (una forma più semplice della legge di Ampere-Maxwell) come:

Doveμ​₀ è come definito in precedenza,ioè la corrente in ampere erè la distanza dal filo che stai misurando il campo magnetico.

Il campo magnetico al centro di un anello di corrente è dato da:

DoveRè il raggio del ciclo e gli altri simboli sono come definiti in precedenza.

Infine, il campo magnetico di un solenoide è dato da:

Dovenoè il numero di giri elè la lunghezza del solenoide. Il campo magnetico di un solenoide è in gran parte concentrato al centro della bobina.

Imparare a usare queste equazioni (e quelle simili) è la cosa principale che dovrai fare quando calcoli un campo magnetico o la forza magnetica risultante, quindi un esempio di ciascuno ti aiuterà ad affrontare il tipo di problemi che potresti incontrare incontrare.

Per un lungo filo rettilineo che trasporta una corrente di 5 ampere, (cioè, I = 5 A), qual è l'intensità del campo magnetico a 0,5 m di distanza dal filo?

Utilizzando la prima equazione con I = 5 A e r = 0,5 m si ottiene:

Ora per un anello di corrente che porta I = 10 A e con un raggio di r = 0,2 m, qual è il campo magnetico al centro dell'anello? La seconda equazione dà:

Infine, per un solenoide con N = 15 spire di lunghezza L = 0,1 m, percorso da una corrente di 4 A, qual è l'intensità del campo magnetico al centro?

La terza equazione dà:

Altri calcoli di esempio del campo magnetico potrebbero funzionare in modo leggermente diverso, ad esempio indicando il campo al centro di a solenoide e la corrente, ma chiedendo il rapporto N/L - ma finché hai familiarità con le equazioni, non avrai problemi rispondendo loro.