Di GAYLE TOWELL • Aggiornato il 24 marzo 2022
L'elettricità e il magnetismo sono due forze fondamentali che derivano da particelle cariche. Sebbene si manifestino in modo diverso, i loro principi sottostanti sono sorprendentemente simili. Di seguito, esaminiamo i tre principali punti in comune che uniscono queste forze.
Sia le cariche elettriche che i poli magnetici esistono in coppie complementari. Le cariche elettriche sono disponibili in varietà positive (+) e negative (–), trasportate rispettivamente da protoni ed elettroni. Le cariche opposte si attraggono mentre le cariche simili si respingono, un comportamento che mantiene la maggior parte degli oggetti macroscopici elettricamente neutri.
Allo stesso modo, i magneti possiedono i poli nord e sud. Due poli nord – o due poli sud – si respingono, mentre un polo nord e uno sud si attraggono. A differenza della gravità, che attrae solo, l'elettricità e il magnetismo presentano interazioni sia attrattive che repulsive.
Mentre un magnete è intrinsecamente un dipolo (i suoi poli non possono essere separati), i dipoli elettrici possono essere formati posizionando una carica positiva e una carica negativa a una piccola distanza l'una dall'altra. Il dipolo può essere neutralizzato riorientando una delle cariche, sottolineando il contrasto tra dipoli magnetici ed elettrici.
La forza elettromagnetica, che comprende sia effetti elettrici che magnetici, è molto più forte della gravità ma più debole delle forze nucleari forti e deboli. In termini relativi, se la forza forte è normalizzata a 1, la forza elettromagnetica misura circa 1/137, la forza debole circa 10 -6 , e la gravità un infinitesimo 6×10 -39 .
Nonostante la sua grandezza relativamente debole, l’elettromagnetismo domina le interazioni quotidiane perché le cariche e i momenti magnetici tipicamente non sono neutralizzati; possono esercitare forze che superano facilmente l'attrazione gravitazionale della Terra su piccoli oggetti.
Storicamente, l’elettricità e il magnetismo sono stati scoperti come fenomeni distinti. Tuttavia, il lavoro di scienziati come Michael Faraday e James Clerk Maxwell li ha rivelati come due aspetti di un unico campo elettromagnetico.
Gli esperimenti di Faraday hanno dimostrato che un campo magnetico variabile induce una corrente elettrica in una bobina, un principio alla base di tutti i generatori elettrici. Le quattro equazioni di Maxwell formalizzarono ulteriormente questa relazione, prevedendo che le onde elettromagnetiche si propagassero alla velocità della luce:
\(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}} =299.792.485\;\text{m/s}\)
Pertanto, la luce stessa è un'onda elettromagnetica, il che illustra la profonda unità di queste forze.
Proprio come la gravità è descritta da un campo, i campi elettrici e magnetici caratterizzano il modo in cui le forze agiscono nello spazio. Il campo elettrico generato da una carica puntiforme q a distanza r è:
\(E =\frac{kq}{r^2}\)
dove k =8,99×10 9 N·m²/C². Il campo punta lontano dalle cariche positive e verso le cariche negative.
Per un lungo filo rettilineo percorso da corrente, il campo magnetico alla distanza r è:
\(B =\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\)
con μ ₀ =4π×10 -7 N/D². La direzione segue la regola della mano destra.
La forza elettrica su una carica q in un campo elettrico E è:
\(\vec{F} =q\vec{E}\)
La forza magnetica su una carica in movimento è data dalla legge della forza di Lorentz:
\(\vec{F} =q\vec{v} \times \vec{B}\)
Per un io attuale che scorre per una lunghezza L in un campo magnetico la forza diventa:
\(\vec{F} =I\vec{L} \times \vec{B}\)
Nei materiali ferromagnetici come il ferro, il movimento intrinseco degli elettroni produce momenti magnetici microscopici che si allineano parallelamente tra loro, creando un magnetismo macroscopico. Ciò dimostra che il magnetismo è fondamentalmente un effetto elettrico.
Al contrario, l'elettricità può essere generata dal magnetismo, una scoperta che ha aperto la strada ai moderni generatori e sistemi di alimentazione.
La legge di Faraday spiega che un flusso magnetico variabile induce una forza elettromotrice che si oppone al cambiamento, incarnando il principio dell'induzione elettromagnetica.
Le quattro equazioni di James Clerk Maxwell descrivono sinteticamente come si evolvono i campi elettrici e magnetici:
\(\nabla \cdot \vec{E} =\frac{\rho}{\varepsilon_0}\)
\(\nabla \cdot \vec{B} =0\)
\(\nabla \times \vec{E} =-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\)
\(\nabla \times \vec{B} =\mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}\)
Queste equazioni prevedono l'esistenza di onde elettromagnetiche che viaggiano alla velocità della luce, unendo la luce con l'elettricità e il magnetismo.
Nel complesso, la natura intrecciata del magnetismo e dell'elettricità riflette un'unica ed elegante struttura elettromagnetica che governa il comportamento delle particelle cariche e le forze che esercitano.
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