Cos'è l'elettromagnetismo:
L'elettromagnetismo è il studio delle cariche e dell'interazione tra elettricità e magnetismo. Elettricità e magnetismo sono aspetti di un unico fenomeno fisico strettamente legati dal movimento e dall'attrazione delle cariche nella materia.
La branca della fisica che studia l'interazione tra fenomeni elettrici e magnetici è anche conosciuta come elettromagnetismo.
La parola "elettricità" è stata proposta dall'inglese William Gilbert (1544-1603) dal greco elettronico (tipo di ambra che attira gli oggetti quando viene strofinata con varie sostanze). D'altra parte, il "magnetismo" è probabilmente sorto da una regione turca con depositi di magnetite magnetizzata (Magnesia), dove viveva un'antica tribù greca nota come Magnetes.
Fu però fino al 1820 che Hans Christian Oersted (1777-1851) riuscì a dimostrare l'effetto di una corrente elettrica sul comportamento di una bussola, nacque così lo studio dell'elettromagnetismo.
Nozioni di base sull'elettromagnetismo
Magneti ed elettricità sono sempre stati oggetto di fascino per l'umanità. Il suo approccio iniziale ha seguito diversi corsi che hanno raggiunto un punto d'incontro alla fine del XIX secolo. Per capire cos'è l'elettromagnetismo, esaminiamo alcuni concetti di base.
Carica elettrica
La carica elettrica è una proprietà fondamentale delle particelle che compongono la materia. La base di tutte le cariche elettriche risiede nella struttura atomica. L'atomo concentra i protoni positivi nel nucleo e gli elettroni negativi si muovono intorno al nucleo. Quando il numero di elettroni e protoni è uguale, abbiamo un atomo con carica neutra. Quando l'atomo acquista un elettrone rimane con una carica negativa (anione), e quando perde un elettrone rimane con una carica positiva (catione).
Allora si considera la carica dell'elettrone come unità di base o quanti della carica elettrica. Questo è equivalente a 1,60 x 10 -19 coulomb (C), che è l'unità di misura delle cariche, in onore del fisico francese Charles Augustin de Coulomb.
Campo elettrico e campo magnetico
UN campo elettrico È un campo di forza che circonda una carica o una particella carica. Cioè, una particella carica influenza o esercita una forza su un'altra particella carica che si trova nelle vicinanze. Il campo elettrico è una grandezza vettoriale rappresentata dalla lettera E le cui unità sono volt per metro (V/m) o newton per coulomb (N/C).
D'altra parte, il campo magnetico Si verifica quando c'è un flusso o movimento di cariche (una corrente elettrica). Possiamo quindi dire che è la regione dove agiscono le forze magnetiche. Pertanto, un campo elettrico circonda qualsiasi particella carica e il movimento della particella carica crea un campo magnetico.
Ogni elettrone in movimento produce un minuscolo campo magnetico nell'atomo. Per la maggior parte dei materiali, gli elettroni si muovono in direzioni diverse, quindi i campi magnetici si annullano. In alcuni elementi, come ferro, nichel e cobalto, gli elettroni si muovono in una direzione preferenziale, producendo un campo magnetico netto. I materiali di questo tipo sono chiamati ferromagnetico.
Magneti ed elettromagneti
UN magnete È il risultato dell'allineamento permanente dei campi magnetici degli atomi in un pezzo di ferro. In un normale pezzo di ferro (o altro materiale ferromagnetico) i campi magnetici sono orientati in modo casuale, quindi non agisce come un magnete. La caratteristica fondamentale dei magneti è che hanno due poli: nord e sud.
UN elettromagnete Consiste in un pezzo di ferro all'interno di una bobina di filo attraverso il quale può essere fatta passare una corrente. Quando la corrente è attiva, i campi magnetici di ciascun atomo che compongono il pezzo di ferro si allineano con il campo magnetico prodotto dalla corrente nella bobina di filo, aumentando la forza magnetica.
Induzione elettromagnetica
L'induzione elettromagnetica, scoperta da Joseph Henry (1797-1878) e Michael Faraday (1791-1867), è la produzione di elettricità mediante un campo magnetico in movimento. Facendo passare un campo magnetico attraverso una bobina di filo o altro materiale conduttivo, si provoca un flusso di carica o corrente quando il circuito è chiuso.
L'induzione elettromagnetica è alla base dei generatori e praticamente di tutta l'energia elettrica prodotta nel mondo.
Applicazioni dell'elettromagnetismo
L'elettromagnetismo è alla base del funzionamento dei dispositivi elettrici ed elettronici che utilizziamo quotidianamente.
Microfoni
I microfoni hanno una membrana sottile che vibra in risposta al suono. Attaccato alla membrana è una bobina di filo che fa parte di un magnete e si muove lungo la membrana. Il movimento della bobina attraverso il campo magnetico converte le onde sonore in corrente elettrica che viene trasferita a un altoparlante e amplificata.
Generatori
I generatori utilizzano l'energia meccanica per produrre energia elettrica. L'energia meccanica può provenire dal vapore acqueo, creato dalla combustione di combustibili fossili, o dall'acqua che cade nelle centrali idroelettriche.
Motore elettrico
Un motore utilizza l'energia elettrica per produrre energia meccanica. I motori a induzione utilizzano la corrente alternata per convertire l'energia elettrica in energia meccanica. Questi sono i motori tipicamente utilizzati negli elettrodomestici, come ventilatori, asciugatrici, lavatrici e frullatori.
Un motore a induzione è costituito da una parte rotante (rotore) e una parte fissa (statore). Il rotore Si tratta di un cilindro di ferro con scanalature lungo le quali sono fissate delle alette o delle barre di rame. Il rotore è racchiuso in un contenitore di bobine o spire di filo conduttore attraverso il quale viene fatta passare corrente alternata, diventando elettromagneti.
Il passaggio di corrente alternata attraverso le bobine produce un campo magnetico che a sua volta induce una corrente e un campo magnetico nel rotore. L'interazione dei campi magnetici nello statore e nel rotore provoca una torsione nel rotore che consente di eseguire il lavoro.
Maglev: treni che levitano
I treni a levitazione magnetica utilizzano l'elettromagnetismo per sollevarsi, guidarsi e spingersi su un binario speciale. Giappone e Germania sono pionieri nell'uso di questi treni come mezzo di trasporto. Ci sono due tecnologie: sospensione elettromagnetica e sospensione elettrodinamica.
Il sospensione elettromagnetica si basa sulle forze di attrazione tra potenti elettromagneti alla base del treno e il binario. La forza magnetica è regolata in modo che il treno rimanga sospeso sul binario, mentre è guidato da un campo magnetico che viaggia in avanti per interazione di magneti laterali nel treno.
Il sospensione elettrodinamica si basa sulla forza repulsiva tra i magneti sul treno e un campo magnetico indotto sul binario. Questo tipo di treno ha bisogno di ruote per poter raggiungere una velocità critica, simile agli aeroplani quando stanno per decollare.
Diagnostica medica
La risonanza magnetica è una delle tecnologie di maggiore impatto nella medicina moderna. Si basa sull'effetto di forti campi magnetici sui nuclei di idrogeno dell'acqua del corpo.
Fenomeni elettromagnetici
Molti dei fenomeni elettromagnetici che conosciamo sono una conseguenza del campo magnetico terrestre. Questo campo è generato da correnti elettriche all'interno del pianeta. La Terra assomiglia quindi a una grande barra magnetica al suo interno, dove il polo nord magnetico è al polo sud geografico e il polo sud magnetico corrisponde al polo nord geografico.
Orientamento spaziale
La bussola è uno strumento risalente a circa 200 anni prima di Cristo. Si basa sull'orientamento di un ago di metallo magnetizzato verso il nord geografico.
Alcuni animali e altri esseri viventi possono rilevare il campo magnetico terrestre e quindi orientarsi nello spazio. Una delle strategie di targeting è attraverso cellule o organi specializzati che contengono cristalli di magnetite, un minerale di ossido di ferro che mantiene un campo magnetico permanente.
Le aurore settentrionali e meridionali
Il Il campo magnetico terrestre Funziona come una barriera protettiva contro il bombardamento di particelle ionizzate ad alta energia provenienti dal Sole (meglio noto come vento solare). Questi vengono deviati verso le regioni polari, eccitando atomi e molecole nell'atmosfera. Le luci caratteristiche delle aurore (boreale nell'emisfero boreale e australe nell'emisfero australe) sono il prodotto dell'emanazione di energia quando gli elettroni eccitati ritornano al loro stato basale.
Maxwell e la teoria dell'elettromagnetismo
James Clerk Maxwell dedusse tra il 1864 e il 1873 le equazioni matematiche che spiegano la natura dei campi magnetici ed elettrici. In questo modo, le equazioni di Maxwell fornivano una spiegazione delle proprietà dell'elettricità e del magnetismo. Nello specifico, queste equazioni mostrano:
- come una carica elettrica produce un campo elettrico,
- come le correnti producono campi magnetici, e
- come la variazione di un campo magnetico produce un campo elettrico.
Le equazioni d'onda di Maxwell sono servite anche a dimostrare che la modifica di un campo elettrico crea un'onda elettromagnetica autopropagante con componenti elettriche e magnetiche. Il lavoro di Maxwell ha unificato le aree apparentemente separate della fisica dell'elettricità, del magnetismo e della luce.
- Elettricità.
- Magnetismo.
- Fisico.
- Rami della fisica.
