Analogie e differenze tra campo: Elettrico, Magnetico e Gravitazionale. Forze tra magneti e correnti/ Forze tra correnti.

Introduzione

In generale, definiamo "Campo"

la modificazione dello spazio da parte della sorgente che lo genera. Il campo può esistere e diffondersi sia se lo spazio è attraversato da un mezzo ( aria, acqua ecc.) sia in presenza del vuoto.

Conosciamo, in particolare, tre tipi differenti di campi:

Campo Elettrico--> è utile a descrivere l'interazione di due cariche all'interno dello spazio.

Campo Gravitazionale--> è un campo di forze attrattive generato da un corpo dotato di massa e descrive come quest'ultimo alteri lo spazio circostante.
Campo Magnetico-->è la regione dello spazio in cui sono sensibili le forze di attrazione e repulsione esercitate da uno o più magneti.

-Un esempio di campo magnetico è quello terrestre: la Terra, infatti, può essere definita come un dipolo magnetico con i poli "invertiti": il polo geografico e quello magnetico, infatti, non coincidono.

Esaminando le caratteristiche dei tre campi è possibile notare la presenza di numerose analogie ma allo stesso tempo, di sostanziali differenze.
ANALOGIE:

Innanzitutto:

Il campo magnetico, analogamente al campo elettrico e gravitazionale, è un campo di forza vettoriale descritto da linee di campo/di forza.

Le linee forza sono in particolare: -immaginarie; -tangenti in ogni punto del campo; -direttamente proporzionali all'intensità di quest'ultimo.

I tre campi sono inoltre legati dal concetto di "forza che agisce a distanza" : non è necessario che due corpi vengano a contatto tra di loro perché essi possano interagire.

DIFFERENZE:

Facendo riferimento alle forze dei campi, è fondamentale precisare che:

Mentre la forza gravitazionale è esclusivamente attrattiva e riguarda tutti i corpi che hanno massa, la forza elettrica come quella magnetica è sia attrattiva che repulsiva, a seconda del segno delle cariche (positive o negative) / tipo di polarità (nord o sud).

La seconda differenza è dettata dalle linee di forza dei campi:

Le linee del campo magnetico sono “chiuse”, ovvero escono dal Polo Nord ed entrano nel polo sud dei magneti differentemente da: quelle del campo elettrico che sono “aperte”, ovvero solamente uscenti oppure entranti e da quelle del campo gravitazionale che per definizione sono entranti verso la massa M

Campo Gravitazionale

Campo Magnetico

Campo Elettrico

Parliamo adesso specificatamente delle: ANALOGIE TRA CAMPO ELETTRICO E CAMPO GRAVITAZIONALE:

Entrambi i campi, come già visto precedentemente, sono campi di forza vettoriali. Ciò presuppone che ad ogni punto della regione di spazio in cui essi agiscono è possibile associare un vettore.

Entrambi i campi sono in grado di compiere lavoro. Come vedremo successivamente riguardo alle differenze, quello elettrico agisce solo sui corpi elettricamente carichi mentre quello gravitazionale su tutti i corpi dotati di massa.

Il campo elettrico, analogamente al campo gravitazionale, è un campo conservativo poichè il lavoro compiuto dalle forze del campo non dipende dal percorso compiuto ma esclusivamente dal punto di partenza e dal punto di arrivo.

Le analogie si dimostrano anche nella sostanziale equivalenza che c'è tra la formula di Coulomb, che descrive la forza che si scambiano due cariche elettriche, e quella della gravitazione universale di Newton che invece descrive la forza che si scambiano due oggetti dotati di massa.

-Entrambe le forze sono direttamente proporzionali al prodotto delle proprietà dei due corpi; e inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza.

Formula legge di Coulomb

Formula legge gravitazionale

DIFFERENZE TRA CAMPO GRAVITAZIONALE ED ELETTRICO

Come già visto a proposito delle analogie, il campo elettrico agisce solo sui corpi elettricamente carichi mentre quello gravitazionale su tutti i corpi dotati di massa.

Le forze del campo elettrico possono essere sia attrattive che repulsive mentre quelle del campo gravitazionale sono solo attrattive.

Ciò evidenzia:

L’esistenza di un solo tipo di carica gravitazionale (massa) per quanto riguarda il campo gravitazionale, e l’esistenza di due cariche (positiva e negativa) facendo riferimento al campo elettrico.

Il campo magnetico, a differenza del campo elettrico e magnetico, non è conservativo in quanto la circuitazione è nulla.

Analizziamo invece adesso le:

ANALOGIE TRA IL CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO:

Come già citato precedentemente, sia il campo elettrico che quello magnetico sono generati da delle forze, rispettivamente: quella di Coulomb e quella magnetica, si dicono pertanto “campi di forze”.

Ricordiamo anche:

Così come le linee del campo elettrico hanno origine dalle cariche positive e convergono nelle cariche negative, le linee del campo magnetico escono dai poli Nord ed entrano nei poli sud magnetici

Inoltre

Analizzando il campo elettrico, è possibile notare che esistono due tipi di particelle cariche--> l'elettrone e il protone; allo stesso modo, esaminando il campo magnetico, notiamo che esistono due tipi di poli --> nord e sud. In entrambi i campi, si respingono se dello stesso segno e si attraggono se di segno opposto.

DIFFERENZE TRA IL CAMPO ELETTRICO E MAGNETICO

Mentre per evidenziare un campo elettrico facciamo uso di una carica spia (piccola e trascurabile), per evidenziare un campo magnetico utilizziamo un magnete di prova, un piccolo ago magnetico che genera un campo abbastanza debole da non disturbare quello del sistema che intendiamo esaminare.

-Nel corso della storia, in particolare, si è scoperto come il campo magnetico e quello elettrico siano strettamente legati tra loro, fenomeni prima considerati separati l'uno dall'altro. In particolare ricordiamo le esperienze di tre scienziati: -OERSTED -FARADAY -AMPERE

Esperimento di OERSTED
(FORZE TRA MAGNETI E CORRENTI)
Oersted pose nella direzione sud-nord, sopra un ago magnetico, un filo elettrico collegato a una batteria. Quando nel filo passava corrente elettrica, notò che l’ago ruotava attorno al proprio asse, disponendosi in direzione perpendicolare al filo stesso. L’esperienza del fisico evidenzia che

Un filo percorso da corrente genera un campo magnetico.

Il campo magnetico del filo agisce sull'ago della bussola, facendolo ruotare fino ad una nuova posizione di equilibrio. -Possiamo vedere come sono fatte le linee del campo magnetico che si producono quando il filo è percorso da corrente, spargendo della limatura di ferro sul cartoncino, bucato da un filo conduttore ad esso perpendicolare.

Le linee del campo magnetico, in questo caso, possono essere rappresentate come circonferenze concentriche giacenti in un piano perpendicolare al filo conduttore.

Il verso delle linee del campo magnetico si ottiene puntando il pollice della mano destra nel verso della corrente: allora le dita si chiudono nel verso del campo.

ESPERIMENTO DI FARADAY
Nel 1821, il fisico Faraday osservò con un esperimento che:

Un filo conduttore percorso da corrente, all’interno di un campo magnetico, subisce una forza

In particolare mettiamo un filo percorso da corrente in un campo magnetico, in direzione perpendicolare alle linee di campo. In questo caso, sul filo agisce una forza, che è:

Perpendicolare sia al filo, sia alla direzione del campo magnetico;
Il suo verso, invece, è dato dalla regola della mano destra:

-Si pone il pollice nel verso/direzione della corrente; -Si orientano le altre dita nel verso del campo magnetico -Il verso della forza è allora quello che esce dal palmo della mano

Gli esperimenti dei due fisici mostrarono che esiste una relazione tra la corrente elettrica e il campo magnetico, perché una corrente elettrica:

Genera un campo magnetico
É soggetta ad una forza magnetica

ESPERIMENTO DI AMPERE
(FORZE TRA CORRENTI)
Ampère mostrò sperimentalmente che due fili rettilinei paralleli percorsi da corrente interagiscono con una forza attrattiva o repulsiva a seconda che i versi delle correnti siano concordi o discordi:

Due fili rettilinei e paralleli si ATTRAGGONO se le correnti che scorrono hanno STESSO VERSO
Due fili si RESPINGONO se percorsi da correnti che hanno VERSI OPPOSTI

-È possibile allora affermare, secondo la legge di Ampère, che la forza che agisce su un tratto di lunghezza di ciascuno dei due fili è:

Direttamente Proporzionale alla lunghezza e alle intensità delle due correnti che circolano
Inversamente proporzionale alla distanza tra i fili.

La legge di ampere dà allora la forza tra due fili rettilinei paralleli percorsi da corrente. -Indicando con F il modulo della forza e con K la costante di proporzionalità, possiamo allora dire che la formula che esprime la legge di Ampere è→

dove

è una nuova costante, detta permeabilità magnetica del vuoto. -Per semplicità, immaginiamo di compiere l'esperimento di Ampère nel Vuoto. -Nel sistema internazionale, la formula della forza di ampere nel vuoto è→

. -La relazione trovata da Ampère è utilizzata per definire l’unità di misura della corrente, che in suo onore prende il nome di Ampère (A)
Ampère —> unità di misura della corrente elettrica (sistema internazionale).
-Se in due fili rettilinei, paralleli e di lunghezza infinita, posti alla distanza di 1 m, è fatta circolare la corrente di 1 A, la forza che si esercita su ciascun tratto di filo lungo 1 m è di N - Per definizione, 1 A= 1 C/ 1 s -Possiamo a questo punto ridefinire il Coulomb in funzione dell’ampère che, ricordiamo, è l’unità di misura della carica elettrica.

La carica di 1 C rappresenta la quantità di carica che attraversa, in un secondo, una sezione di filo in cui è presente una corrente di intensità pari a 1 A.