Di S. Hussain Ather • Aggiornato il 30 agosto 2022
I magneti a volte si allontanano a vicenda e altre volte si uniscono. Comprendere la fisica sottile che governa questo comportamento è essenziale per qualsiasi cosa, dai motori elettrici ai dispositivi di imaging medico.
Come le cariche elettriche, i poli magnetici sono di due tipi:nord (N) e sud (S). Un polo nord attrae sempre un polo sud, mentre due poli nord o due poli sud si respingono. Questa semplice regola è alla base del funzionamento delle bussole, dei cuscinetti magnetici e di molte applicazioni industriali.
Quando le particelle cariche si muovono, generano campi magnetici che esercitano forze su altre cariche in movimento. La legge Biot-Savart quantifica questa interazione:
F = \frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2} \; v_1 \times (v_2 \times r)
Qui, μ₀ =12,57×10⁻⁷H/m è la permeabilità al vuoto, q₁ e q₂ sono le accuse, v₁ e v₂ le loro velocità e r il vettore di separazione. Il prodotto incrociato indica che la forza dipende dalle direzioni relative di movimento e separazione.
A differenza delle forze elettriche, le forze magnetiche agiscono solo su cariche in movimento e mai su monopoli magnetici statici, particelle che possiedono un solo polo magnetico. Non è stata ancora trovata alcuna prova sperimentale dell'esistenza di tali monopoli.
Il segno del prodotto incrociato determina se due cariche in movimento si attraggono o si respingono. Se i vettori di forza risultanti puntano l'uno verso l'altro, le cariche si attraggono; se puntano lontano, le accuse si respingono. Lo stesso principio vale per i magneti macroscopici:l'orientamento dei loro momenti magnetici determina se spingono o tirano.
La corrente in un filo produce un campo magnetico che può essere visualizzato con la regola della mano destra. Punta il pollice nella direzione della corrente convenzionale; le tue dita arricciate mostrano la direzione del campo. Due fili paralleli che trasportano correnti nella stessa direzione si attraggono, mentre le correnti in direzioni opposte si respingono:un effetto sfruttato negli elettromagneti e nella levitazione magnetica.
La legge della forza di Lorentz estende questa idea alle particelle cariche che si muovono attraverso campi esterni:
F = qE + qv \times B
dove E è il campo elettrico, B il campo magnetico e v la velocità della particella. Il prodotto incrociato determina ancora una volta la direzione della componente magnetica.
Ogni magnete si comporta come un minuscolo dipolo con un momento magnetico m . Quando inserito in un campo esterno B , sperimenta una coppia:
τ = m \times B = |m||B|\sin\theta
Quella coppia allinea il dipolo con il campo, come si vede nell’ago di una bussola che punta verso il nord geografico. L'energia potenziale di un dipolo in un campo è U = -m\cdot B = -|m||B|\cos\theta , raggiungendo il minimo quando il dipolo si allinea con il campo.
Gli atomi con elettroni spaiati (paramagneti) sono attratti dai campi magnetici, mentre gli atomi con tutti gli elettroni accoppiati (diamagnetici) vengono respinti. L'ossigeno (O₂) è paramagnetico, mentre l'azoto (N₂) è diamagnetico. Il comportamento deriva dall'interazione dei dipoli magnetici atomici con campi esterni.
Quando un potente magnete al neodimio viene spostato lungo un cacciavite in acciaio, il cacciavite viene temporaneamente magnetizzato. La rimozione del magnete lascia un magnetismo residuo:un esempio reale dell'induzione magnetica e della forza di attrazione tra dipoli allineati.
La comprensione di questi principi consente a ingegneri e scienziati di progettare motori più efficienti, cuscinetti magnetici sicuri e sistemi avanzati di imaging medico.
