Forze magnetiche (forze di attrazione, forze di repulsione)

Per forza magnetica si intende un effetto di forza rilevabile in genere tra cariche in movimento, cioè tra correnti.

Le sostanze magnetiche esercitano forze reciproche o su materiali ferromagnetici.

Nei magneti, l'effetto di forza è attribuito anche a piccole correnti circolari nel materiale.

Tre forze fondamentali

In fisica, esistono solo 3 diverse forze fondamentali che sono la causa di tutti gli effetti di forza conosciuti. Si tratta della gravità, dell'elettromagnetismo e delle forze nucleari. Le forze nucleari possono essere ulteriormente suddivise, ma di solito non hanno alcun ruolo nelle forze che l'uomo può osservare nel suo ambiente.

Gravità

La gravità, invece, gioca sempre un ruolo importante quando è coinvolta una grande massa. Anche con masse molto grandi, tuttavia, l'effetto della gravità può essere rilevato solo con un grande sforzo tecnico. Forti forze gravitazionali provengono solo da oggetti interstellari come lune, pianeti e stelle. La massa della Terra, ad esempio, esercita un'attrazione gravitazionale su tutti i corpi sufficiente a legarli alla sua superficie con una forza percepibile. Le forze di marea e il movimento di pianeti e stelle sono quindi determinati principalmente dalla gravità. Le forze gravitazionali sono maggiori di qualsiasi altra forza nel caso di masse enormi di grandi stelle, così che la gravità può superare qualsiasi tipo di resistenza. Le forze gravitazionali possono quindi far collassare le stelle in buchi neri. Nella vita di tutti i giorni, tuttavia, osserviamo la gravità solo tra i corpi e la terra come forza di gravità. La gravità tra gli oggetti del nostro ambiente, invece, è così piccola che quasi non la percepiamo.

La forza elettromagnetica

Tutte le altre forze che osserviamo nella vita quotidiana sono di natura elettromagnetica. Le forze elettromagnetiche possono essere suddivise in forze elettriche e forze magnetiche.

Le forze elettriche

Se una sostanza è carica, sono in gioco forze elettriche. Se corpi con cariche disuguali (ad esempio un corpo con carica positiva e uno con carica negativa) si toccano, le cariche si equalizzano. Dopo di ciò, non è più possibile percepire alcuna forza elettrica. I corpi con carica uguale (cioè entrambi carichi negativamente o entrambi carichi positivamente) si respingono sempre e i corpi con carica disuguale (uno negativo e uno positivo) si attraggono sempre.

Gli effetti della forza magnetica non sono causati direttamente dalle cariche. Non esistono cariche magnetiche.

Le forze magnetiche

Le forze magnetiche sono causate da magneti elementari nel materiale, creati da minuscole correnti circolari con un momento magnetico misurabile. Lo spin dell'elettrone è di solito il magnete elementare più forte del materiale. Un effetto di forza magnetica si verifica quando gli spin degli elettroni vicini sono allineati in parallelo.

Le forze di un magnete possono essere distrutte se l'allineamento dei magneti elementari nel materiale viene mescolato. Ciò può essere causato dal riscaldamento o da forti colpi al magnete. Un magnete forte può anche smagnetizzare un magnete più debole o invertire la sua polarizzazione.

Esiste anche la forza di un campo magnetico su una carica in movimento, nota come forza di Lorentz. Se una carica si muove in un campo magnetico, agisce una forza perpendicolare al campo magnetico e alla direzione di movimento della carica, se il movimento e il campo magnetico non sono completamente paralleli tra loro. Questa è la forza di Lorentz.

C'è un motivo per cui le forze elettriche e magnetiche vengono raggruppate come elettromagnetismo.

Ciò significa che le cariche in movimento generano sempre forze magnetiche. Esistono solo campi magnetici dovuti al movimento delle cariche, che creano sempre un campo magnetico con un polo nord e un polo sud. Non esistono sorgenti separate del campo magnetico, così come la carica è la sorgente del campo elettrico. Negli elettromagneti, ad esempio, una forte corrente scorre attraverso una bobina, creando una forte forza magnetica.

Anche le forze magnetiche dei magneti permanenti sono causate da microscopici movimenti di cariche nella materia. Le forze elettriche, invece, sono causate da cariche a riposo. Le cariche causano quindi forze magnetiche quando sono in movimento e forze elettriche quando sono a riposo. Le forze magnetiche ed elettriche devono quindi essere trasformate l'una nell'altra attraverso una trasformazione dello stato di moto. Questo fenomeno è descritto matematicamente dall'elettrodinamica, la teoria dell'elettromagnetismo.

Le forze magnetiche agiscono sempre lungo il campo magnetico. Questo può essere rappresentato da linee di campo. Le linee di campo indicano anche la direzione delle forze magnetiche e l'entità dell'effetto della forza aumenta con la densità delle linee di campo magnetico.

È anche possibile immaginare le forze magnetiche come un principio fisico per minimizzare l'energia totale di un sistema.

Ad esempio, un corpo cade a terra per effetto della forza gravitazionale perché ha un'energia potenziale minima sul terreno.

nche due magneti che si trovano uno di fronte all'altro, così come un magnete situato a una certa distanza da una piastra ferromagnetica, possono comunque minimizzare l'energia totale del "sistema complessivo".

Questo perché c'è energia magnetica tra i magneti o tra un magnete e una piastra di ferro. L'entità dell'energia di campo di un magnete è descritta dal prodotto dell'energia.

Se i magneti si avvicinano, l'energia magnetica dello spazio in aria si riduce. Se i magneti si toccano, lo spazio in aria e quindi l'energia del campo in quest'area sono nulli e quindi ridotti al minimo. Fisicamente, le forze agiscono sempre nella direzione di un minimo energetico. L'entità della forza è proporzionale alla variazione dell'energia magnetica quando i magneti si avvicinano.

In linea di principio, per ogni forza \( \vec{F}\) in un potenziale energetico U vale quanto segue:

\( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\)
Dove \( \vec{\nabla}\) l"operatore differenziale vettoriale" in tutte le direzioni spaziali (matematicamente chiamato anche "gradiente") e può essere scritto come

\( \vec{\nabla}=\left(\begin{array}{ccccc} \frac{\partial}{\partial{x}} & & \frac{\partial}{\partial{y}} & & \frac{\partial}{\partial{z}} \end{array}\right) \)
dove \(\frac{\partial}{\partial{x}}\) denota la "variazione" lungo l'asse x, cioè la derivata parziale rispetto all'assex.

Se la variazione di energia nel potenziale U è particolarmente forte in una direzione, una forza particolarmente intensa agisce in questa direzione.

L'entità dei campi magnetici ed elettrici in funzione delle correnti e delle cariche è descritta con precisione matematica dalle equazioni di Maxwell.

Le equazioni di Maxwell sono molto complesse da risolvere. Tuttavia, esistono formule di approssimazione più o meno buone, ad esempio per calcolare la forza magnetica sulla superficie di un elettromagnete cilindrico.

Per fare ciò, il campo magnetico H può essere prima calcolato con un'approssimazione:

\(H=\frac{nI}{\sqrt{l^2+4R^2}}\)
dove n è il numero di spire della bobina dell'elettromagnete, l è la lunghezza della bobina, R è il raggio della bobina e I è la corrente che attraversa la bobina.

Per un magnete cilindrico con una densità di flusso magnetico B e una superficie polare A, la forza F può essere calcolata approssimativamente come segue:

\(F=\frac{1}{\mu\mu_0}AB^2\)
Dove μ₀ è la permeabilità del vuoto e μ è la permeabilità magnetica del materiale esposto al campo B.

Poiché la densità di flusso magnetico B può essere facilmente calcolata a partire dal campo magnetico H:

\(H=\frac{1}{\mu\mu_0}B\)
la forza magnetica può essere calcolata anche per la bobina e utilizzando la formula per l'area del polo A in funzione del raggio magnetico R, ovvero \(A={\pi}R^2\):

\(F=\frac{1}{\mu\mu_0}AB^2=\mu\mu_0AH^2=\mu\mu_0H^2{\pi}R^2\)
Questo è il caso particolare della bobina cilindrica con raggio R e lunghezza l:

\(F=\mu\mu_0H^2{\pi}R^2=\frac{\mu\mu_0{\pi}R^2n^2I^2}{(l^2+4R^2)}\)
Per un elettromagnete con raggio R=3 cm e una corrente I di 10 ampere in una bobina con n=1 000 spire, la lunghezza della bobina è circa l=10 cm:

\(F=\frac{\mu\mu_0{\pi}R^2n^2I^2}{(l^2+4R^2)}=\frac{4{\pi}\cdot10^{-7}\cdot9\cdot10^{-4}\cdot{\pi}\cdot10^6\cdot10^2}{10^{-2}+4\cdot9\cdot10^{-4}}\) = 26,1 N

L'elettromagnete potrebbe quindi sollevare circa 26,1 newton, che corrispondono a circa 2,7 kg. Non è molto per una corrente di 10 ampere. Per questo motivo negli elettromagneti si utilizzano spesso nuclei di ferro, che aumentano di molte volte l'effetto della forza magnetica grazie alla permeabilità magnetica μ del ferro, notevolmente più elevata.

Materiale illustrativo

Tutte le applicazioni dei nostri magneti si basano sulle affascinanti forze magnetiche. Le applicazioni sperimentali sono particolarmente istruttive:

Zu den Magnet-Experimenten