Lo spazio che circonda il magnete ed è interessato dalla forza magnetica è detto campo magnetico.
La forza magnetica agisce secondo linee ben precise che vanno da un polo all'alto e sono più concentrate ai poli, qualunque sia la forma della calamita.
Anche la Terra è una grande calamita con i due poli nord e sud che non coincidono però esattamente con i poli geografici.
Il campo magnetico terrestre sarebbe prodotto dalle intense correnti elettriche generate a causa del moto di rotazione delle enormi masse di ferro fuso del nucleo.
LA FORZA DI LORENTZ
Le cariche elettriche che stanno attraversando lo schermo in questo momento si muovono di moto rettilineo uniforme.
Se all’improvviso accendiamo un campo magnetico uniforme e perpendicolare alla velocità delle particelle perché uscente dallo schermo, le cose cambiano: la carica adesso sente una forza 𝑉 ⃗ che sappiamo essere di origine magnetica …
… e comincia a muoversi di moto circolare uniforme.
La forza magnetica che agisce sulla particella dunque, non fa cambiare il modulo del vettore velocità 𝑽 ⃗ ma modifica solo la sua direzione. L’energia cinetica della particella carica non cambia, perciò il lavoro compiuto su di essa dalla forza magnetica è nullo.
Ma ciò significa che la forza di cui stiamo parlando 𝑭q è perpendicolare in ogni punto allo spostamento ∆𝒔 e di conseguenza alla velocità della carica q. In altre parole la forza magnetica è la forza centripeta che determina il moto circolare di una particella carica inserita in un campo magnetico.
Gli esperimenti mostrano che il raggio r della traiettoria assunta da una particella di massa m e carica q è uguale alla massa m per la velocità v fratto la carica q per il campo magnetico B. Il raggio r dell’orbita circolare è dunque direttamente proporzionale alla massa m della particella e alla sua velocità v, è inversamente proporzionale alla sua carica q e al campo magnetico B presente.
Se inseriamo l’espressione del raggio r = 𝑚𝑣/𝑞𝐵 nella formula per la forza centripeta Fc = m 𝑣2/𝑟 otteniamo il modulo della forza magnetica che agisce su una carica q che ha una velocità v perpendicolare al campo magnetico B. Questa forza che è perpendicolare sia alla velocità che al campo magnetico si chiama forza di Lorentz. Poiché la forza di Lorentz è istante per istante perpendicolare alla velocità e quindi allo spostamento, si ha che il lavoro da essa compiuto è sempre nullo. Infatti:
L = F s cos𝛼
ed essendo
𝐹 ⊥ 𝑠
si ha che
𝛼 = 90°
e quindi
cos 𝛼=0.
Quindi la forza di Lorentz è una forza che non compie lavoro.
Consideriamo questa sbarretta metallica che si muove di moto rettilineo uniforme all'interno di un campo magnetico B a essa perpendicolare. La forza di Lorentz 𝐹 ⃗𝐿𝑜𝑟𝑒𝑛𝑡𝑧 è presente e agisce sugli elettroni di conduzione della sbarretta metallica spingendoli verso l'alto, dove si accumula così carica negativa, mentre in basso si accumula carica positiva.
Ovviamente gli ulteriori elettroni che tendono ad essere spinti verso la zona alta trovano l'opposizione degli elettroni già presenti e l'attrazione della zona positiva. Questo vuol dire che è nato un campo elettrico 𝐸 ⃗ che punta dall’estremità positiva verso quella negativa. Questo campo elettrico determina sull’elettrone determina una forza elettrica (𝐹𝐸) che tende verso il basso, questa forza (𝐹𝐸) tende a contrastare la forza di Lorentz 𝐹𝐿𝑜𝑟𝑒𝑛𝑡𝑧 . Si verifica quindi una situazione per cui ad un certo punto si ha una situazione di stabilità tra le due forze elettrica e magnetica e si è stabilita ai capi della sbarretta una differenza di potenziale ΔV costante quella che noi chiamiamo forza elettromotrice fem
La sbarra in movimento si comporta come un generatore, notiamo che come in qualsiasi circuito elettrico anche all'interno di un circuito indotto si dissipa energia per effetto Joule.
COME E’ FATTO IL CAMPO MAGNETICO INDOTTO
Come abbiamo visto, quando avviciniamo una calamita ad un circuito, il campo magnetico 𝐵 ⃗ nei pressi del circuito aumenta e all’interno del circuito si genera istantaneamente una corrente elettrica indotta che è dovuta alla variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata dal circuito stesso.
La corrente indotta nel circuito a sua volta crea un campo magnetico Δ𝐵, ma come è fatto questo campo magnetico indotto ? Per scoprirlo dobbiamo per prima cosa capire qual è il verso della corrente indotta i nel circuito.
Supponiamo che la corrente indotta circoli in senso orario, il campo magnetico indotto in questo caso sarebbe rivolto verso il basso proprio come quello della calamita.
Ma un campo di questo tipo non farebbe altro che accentuare l’aumento del flusso totale e ciò allora creerebbe una corrente indotta più intensa e un nuovo campo magnetico indotto innescando così un processo senza fine.
Basterebbe insomma far variare il flusso del campo magnetico attraverso un circuito per ottenere gratis una quantità di energia elettrica illimitata. Ma tutto questo è in contrasto col principio di conservazione dell’energia.
Ne concludiamo che nel nostro caso la corrente indotta deve circolare in senso antiorario in modo da contrastare l’aumento del campo magnetico innescato dall’avvicinamento della calamita. Queste considerazioni sono riassunte nella legge di Lenz secondo la quale il verso della corrente indotta è sempre tale da opporsi alla variazione di flusso che la genera.
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