Forma speciale di esistenza della materia, il campo magnetico terrestre ha contribuito alla nascita e alla conservazione della vita. Frammenti di questo campo, pezzi di minerale attratti dal ferro, hanno portato a elettricità al servizio dell'umanità. Senza elettricità, la sopravvivenza sarebbe impensabile.
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Cosa sono le linee di induzione magnetica
Il campo magnetico è definito dall'intensità in ogni punto del suo spazio. Le curve che uniscono punti di campo di tensioni modulo uguali sono chiamate linee di induzione magnetica. L'intensità del campo magnetico in un punto specifico è una caratteristica della forza, e per stimarla si usa il vettore campo magnetico B. La sua direzione in un punto specifico della linea di induzione magnetica è tangente ad essa.
Se un punto nello spazio è interessato da diversi campi magnetici, la forza è determinata dalla somma dei vettori di induzione magnetica di ogni campo magnetico agente. In questo caso, l'intensità in un punto particolare è sommata modulo, e il vettore induzione magnetica è definito come la somma dei vettori di tutti i campi magnetici.
Anche se le linee di induzione magnetica sono invisibili, hanno certe proprietà:
- Si suppone che le linee di forza del campo magnetico escano dal polo (N) e ritornino da (S).
- La direzione del vettore di induzione magnetica è tangenziale alla linea.
- Nonostante la forma complessa, le curve non si intersecano e sono necessariamente in cortocircuito.
- Il campo magnetico all'interno del magnete è omogeneo e la densità delle linee è massima.
- Solo una linea di induzione magnetica passa attraverso un punto del campo.
Direzione delle linee di induzione magnetica all'interno di un magnete permanente
Storicamente, la proprietà naturale di certe pietre di attirare il ferro è stata osservata da tempo in molti luoghi della Terra. Con il tempo, nell'antica Cina, le frecce intagliate in un certo modo da pezzi di minerale di ferro (pietra ferrosa magnetica) si trasformarono in bussole, mostrando la direzione ai poli nord e sud della Terra e permettendo l'orientamento sul terreno.
Le ricerche su questo fenomeno naturale hanno dimostrato che le leghe di ferro hanno una proprietà magnetica più forte per un tempo più lungo. I magneti naturali più deboli sono minerali contenenti nichel o cobalto. Studiando l'elettricità, gli scienziati hanno imparato a fare oggetti magnetizzati artificialmente da leghe contenenti ferro, nichel o cobalto. Per fare questo, sono stati messi in un campo magnetico prodotto da una corrente elettrica diretta e, se necessario, smagnetizzati da una corrente alternata.
I prodotti magnetizzati in natura o prodotti artificialmente hanno due poli diversi - i luoghi dove il magnetismo è più concentrato. I magneti interagiscono tra loro per mezzo di un campo magnetico, in modo che i poli con lo stesso nome si respingono e i poli con nomi diversi si attraggono. Questo forma momenti di rotazione per il loro orientamento nello spazio dei campi più forti, per esempio il campo della Terra.
Una rappresentazione visiva dell'interazione tra elementi debolmente magnetizzati e un magnete forte è data dalla classica esperienza con la limatura d'acciaio sparsa sul cartone e un magnete piatto sotto. Soprattutto se la segatura è oblunga, si può vedere chiaramente come si allinea lungo le linee di forza del campo magnetico. Cambiando la posizione del magnete sotto il cartone, si osserva un cambiamento nella configurazione della loro immagine. L'uso delle bussole in questo esperimento migliora ulteriormente l'effetto della comprensione della struttura del campo magnetico.
Una delle qualità delle linee di campo magnetico scoperte da M. Faraday suggerisce che sono chiusi e continui. Le linee che escono dal polo nord di un magnete permanente entrano nel polo sud. Tuttavia, all'interno del magnete non sono aperti ed entrano dal polo sud nel polo nord. Il numero di linee all'interno del prodotto è massimizzato, il campo magnetico è omogeneo e l'induzione può diventare più debole quando si smagnetizza.
Determinazione della direzione del vettore di induzione magnetica utilizzando la regola del trapano
All'inizio del XIX secolo, gli scienziati scoprirono che un campo magnetico si crea intorno a un conduttore attraversato da una corrente. Le linee di forza risultanti si comportano secondo le stesse regole di un magnete naturale. Inoltre, l'interazione tra il campo elettrico di un conduttore con una corrente e il campo magnetico ha fornito la base della dinamica elettromagnetica.
La comprensione dell'orientamento nello spazio delle forze nei campi interagenti permette di calcolare i vettori assiali:
- Induzione magnetica;
- Grandezze e direzioni della corrente di induzione;
- Velocità angolare.
Questa comprensione è stata formulata nella regola del borace.
Combinando il moto traslazionale del borawlik destro con la direzione della corrente nel conduttore, otteniamo la direzione delle linee del campo magnetico come indicato dalla rotazione della manovella.
Non essendo una legge della fisica, la regola dell'intagliatore in ingegneria elettrica è usata per determinare non solo la direzione delle linee del campo magnetico in funzione del vettore di corrente nel conduttore, ma al contrario, per determinare la direzione della corrente nei fili del solenoide a causa della rotazione delle linee di induzione magnetica.
La comprensione di questa relazione permise ad Ampere di giustificare la legge dei campi rotanti, che portò allo sviluppo di motori elettrici di vari principi. Tutti gli apparecchi induttivi che impiegano bobine induttive seguono la regola del borace.
Regola della mano destra
La determinazione della direzione di una corrente che si muove nel campo magnetico di un conduttore (un lato di una bobina chiusa di conduttori) è chiaramente dimostrata dalla regola della mano destra.
Dice che con il palmo destro rivolto verso il polo N (le linee elettriche entrano nel palmo) e il pollice deviato di 90 gradi che mostra la direzione del conduttore, allora in un anello chiuso (bobina) il campo magnetico induce una corrente elettrica, il cui vettore di movimento è indicato dalle quattro dita.
Questa regola dimostra come sono nati originariamente i generatori di corrente continua. Qualche forza della natura (acqua, vento) ha fatto ruotare un anello chiuso di conduttori in un campo magnetico generando elettricità. Poi i motori, avendo ricevuto la corrente elettrica in un campo magnetico costante, la convertivano in movimento meccanico.
La regola di destra è vera anche nel caso delle bobine d'induttore. Il movimento di un nucleo magnetico al loro interno produce correnti di induzione.
Se le quattro dita della mano destra sono allineate con la direzione della corrente nelle spire di una bobina, allora il pollice deviato di 90 gradi punterà al polo nord.
Le regole del borace e la regola della mano destra dimostrano con successo l'interazione dei campi elettrici e magnetici. Rendono la comprensione del funzionamento di vari dispositivi in ingegneria elettrica accessibile a quasi tutti, non solo agli scienziati.
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