La fisica raramente sembra più magica di quando incontri per la prima volta un magnete da bambino. Ottenere un magnete a barra durante la lezione di scienze e provare - con tutte le tue forze - a spingerlo verso il polo corrispondente di un altro magnete ma essendo completamente incapace di farlo, o lasciando i poli opposti vicini l'uno all'altro ma senza toccarsi in modo da poterli vedere strisciare insieme e alla fine aderire. Impari rapidamente che questo comportamento è il risultato del magnetismo, ma cos'è veramente il magnetismo? Qual è il legame tra elettricità e magnetismo che consente agli elettromagneti di funzionare? Perché non dovresti usare un magnete permanente invece di un elettromagnete in un deposito di rottami metallici, per esempio? Il magnetismo è un argomento affascinante e complicato, ma se vuoi solo imparare le proprietà di un magnete e le basi, è davvero facile da imparare.
Come funzionano i magneti?
Il comportamento magnetico è in definitiva causato dal movimento degli elettroni. Una carica elettrica in movimento genera un campo magnetico e, come ci si può aspettare, magneti e campi magnetici sono strettamente collegati. Poiché un elettrone è una particella carica, il suo movimento orbitale attorno al nucleo di un atomo crea un piccolo campo magnetico. In generale, però, ci sono tonnellate di elettroni in un materiale, e il campo creato da uno sarà annullato dal campo creato da un altro, e non ci sarà alcun magnetismo dal materiale come a totale.
Alcuni materiali funzionano in modo diverso, però. Il campo magnetico creato da un elettrone può influenzare l'orientamento del campo prodotto dagli elettroni vicini e questi si allineano. Questo produce quello che viene chiamato un "dominio" magnetico all'interno del materiale, dove tutti gli elettroni hanno campi magnetici allineati. I materiali che fanno questo sono chiamati ferromagnetici e, a temperatura ambiente, solo ferro, nichel, cobalto e gadolinio sono ferromagnetici. Questi sono i materiali che possono diventare magneti permanenti.
I domini all'interno di un materiale ferromagnetico avranno tutti orientamenti casuali; anche se gli elettroni vicini allineano i loro campi insieme, è probabile che altri gruppi siano allineati in una direzione diversa. Questo non lascia magnetismo su larga scala, perché diversi domini si annullano a vicenda proprio come fanno i singoli elettroni in altri materiali.
Tuttavia, se applichi un campo magnetico esterno, ad esempio avvicinando una barra magnetica al materiale, i domini iniziano ad allinearsi. quando tutti dei domini sono allineati, l'intero pezzo di materiale contiene effettivamente un singolo dominio e sviluppa due poli, generalmente chiamati nord e sud (sebbene positivo e negativo possano anche essere Usato).
Nei materiali ferromagnetici, questo allineamento continua anche quando il campo esterno viene rimosso, ma in altri tipi di materiale (materiali paramagnetici), le proprietà magnetiche si perdono quando il campo esterno è rimosso.
Quali sono le proprietà di un magnete?
Le proprietà distintive dei magneti sono che attraggono alcuni materiali e i poli opposti di altri magneti e si respingono come i poli di altri magneti. Quindi, se hai due magneti permanenti a barra, spingere insieme due poli nord (o sud) produce una forza repulsiva, che diventa più forte quanto più le due estremità vengono avvicinate. Se metti insieme due poli opposti (un nord e un sud) c'è una forza attrattiva tra di loro. Più li avvicini, più forte è questa forza.
I materiali ferromagnetici - come ferro, nichel e cobalto - o le leghe che li contengono (come l'acciaio) sono attratti dai magneti permanenti, anche se non producono un proprio campo magnetico. Sono solo attratto ai magneti, però, e non saranno respinti a meno che non inizino a produrre un proprio campo magnetico. Altri materiali, come alluminio, legno e ceramica, non sono attratti dai magneti.
Come funziona un elettromagnete?
Un magnete permanente e un elettromagnete sono molto diversi. Gli elettromagneti coinvolgono l'elettricità in un modo più ovvio e sono essenzialmente generati dal movimento di elettroni attraverso un filo o un conduttore elettrico. Come per la creazione di domini magnetici, il movimento degli elettroni attraverso un filo produce un campo magnetico. La forma del campo dipende dalla direzione in cui viaggiano gli elettroni - se punti il pollice della mano destra nella direzione della corrente, le dita piegate nella direzione della campo.
Per produrre un semplice elettromagnete, il filo elettrico viene avvolto attorno a un nucleo centrale, solitamente di ferro. Quando la corrente scorre attraverso il filo, viaggiando in cerchio attorno al nucleo, viene prodotto un campo magnetico, che corre lungo l'asse centrale della bobina. Questo campo è presente indipendentemente dal fatto che tu abbia o meno un nucleo, ma con un nucleo di ferro, il campo allinea i domini nel materiale ferromagnetico e quindi diventa più forte.
Quando il flusso di elettricità viene interrotto, gli elettroni carichi smettono di muoversi attorno alla bobina di filo e il campo magnetico scompare.
Quali sono le proprietà di un elettromagnete?
Elettromagneti e magneti hanno le stesse proprietà chiave. La distinzione tra un magnete permanente e un elettromagnete è essenzialmente una nel modo in cui viene creato il campo, non nelle proprietà del campo in seguito. Quindi gli elettromagneti hanno ancora due poli, attraggono ancora materiali ferromagnetici e hanno ancora poli che respingono altri poli simili e attraggono poli diversi. La differenza è che la carica in movimento nei magneti permanenti è creata dal movimento degli elettroni in atomi, mentre negli elettromagneti è creato dal movimento degli elettroni come parte di un attuale.
Vantaggi degli elettromagneti
Tuttavia, gli elettromagneti hanno molti vantaggi. Poiché il campo magnetico è prodotto dalla corrente, le sue caratteristiche possono essere modificate cambiando la corrente. Ad esempio, aumentando la corrente aumenta la forza del campo magnetico. Allo stesso modo, una corrente alternata (elettricità CA) può essere utilizzata per produrre un campo magnetico in continua evoluzione, che può essere utilizzato per indurre una corrente in un altro conduttore.
Per applicazioni come le gru magnetiche nei depositi di rottami metallici, il grande vantaggio degli elettromagneti è che il campo può essere disattivato con facilità. Se raccogli un pezzo di rottame metallico con un grande magnete permanente, rimuoverlo dal magnete sarebbe una vera sfida! Con un elettromagnete, tutto ciò che devi fare è fermare il flusso di corrente e il rottame cadrà.
Magneti e leggi di Maxwell
Le leggi dell'elettromagnetismo sono descritte dalle leggi di Maxwell. Questi sono scritti nel linguaggio del calcolo vettoriale e richiedono una matematica abbastanza complicata da usare. Tuttavia, le basi delle regole relative al magnetismo possono essere comprese senza addentrarsi nella complicata matematica.
La prima legge relativa al magnetismo è chiamata "legge senza monopoli". Questo afferma fondamentalmente che tutti i magneti hanno due poli e non ci sarà mai un magnete con un solo polo. In altre parole, non puoi avere un polo nord di un magnete senza un polo sud e viceversa.
La seconda legge relativa al magnetismo è chiamata legge di Faraday. Questo descrive il processo di induzione, dove un campo magnetico variabile (prodotto da un elettromagnete con a corrente variabile o da un magnete permanente in movimento) induce una tensione (e corrente elettrica) in un vicino conduttore.
La legge finale relativa al magnetismo è chiamata legge di Ampere-Maxwell e descrive come un campo elettrico variabile produce un campo magnetico. L'intensità del campo è correlata alla corrente che attraversa l'area e alla velocità di variazione del campo elettrico (che è prodotto da portatori di carica elettrica come protoni ed elettroni). Questa è la legge che usi per calcolare un campo magnetico nei casi più semplici, come per una bobina di filo o un lungo filo rettilineo.