L'elettricità e il magnetismo potrebbero sembrare due forze separate basate sulla vita di tutti i giorni. La maggior parte delle volte, quando parli di elettricità, ti riferirai alla corrente elettrica o alle cariche elettriche che alimentano gli elettrodomestici dal tuo laptop a qualcosa di semplice come una lampadina.

Il magnetismo non è così comune incontrato, ma ogni bambino della scuola sarà già entrato in contatto con magneti a barra, che hanno un polo nord e un polo sud, con poli simili che si respingono e poli opposti che attirano.
Elettricità e magnetismo in fisica

Questo la comprensione quotidiana delle cariche elettriche e della forza magnetica ti fornirà una conoscenza di base abbastanza buona di come funzionano l'elettricità e il magnetismo, ma c'è molto altro da imparare, dall'origine dei poli magnetici alla legge di Ohm, all'induzione elettromagnetica e oltre.

Mentre la tua esperienza quotidiana di elettricità e magnetismo può farti superare le situazioni quotidiane, se porti la fisica a livelli più alti, hai bisogno di una comprensione molto più profonda dei fenomeni.

Grazie a il lavoro di fisici pionieristici come Michael Faraday e James Clerk Maxwell, gli scienziati ora comprendono che l'elettricità e il magnetismo non sono affatto forze separate, ma diversi aspetti di una delle quattro forze fondamentali: l'elettromagnetismo.

La realizzazione chiave dietro questo era che i campi magnetici sono effettivamente prodotti muovendo cariche elettriche. La forza elettromagnetica è completamente descritta dalle equazioni di Maxwell e alla fine di questo articolo capirai cosa è ciascuno e cosa ti dice.
Che cos'è l'elettricità?

L'elettricità è il nome colloquiale per l'effetto della forza elettrica, che nella maggior parte dei casi comporta l'interazione tra protoni (le particelle caricate positivamente nel nucleo di ogni atomo) ed elettroni (le particelle caricate negativamente che esistono in una nuvola attorno al nucleo).

Quando una particella carica è vicina a un'altra particella carica, ad esempio due elettroni vicini o un elettrone e un protone vicini, hanno un'interazione che generalmente può essere descritta usando la legge di Coulomb. In generale, tuttavia, come le cariche si respingono e le cariche opposte si attraggono, proprio come i poli corrispondenti e opposti su un magnete.

La legge di Coulomb afferma che per due cariche, q
_{1 e < em> q
2, separato da una distanza r
, la forza elettrica ha la grandezza:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}}

Qui, k
\u003d 1 /4πε _{0 \u003d 9 × 10 ^{9 N m 2 /C 2 e ε 0 è una costante chiamata permittività dello spazio libero . Se hai familiarità con la legge della gravitazione universale, noterai che la legge di Coulomb ha una forma molto simile, con le cariche al posto delle masse e k
al posto di G
. In particolare, entrambi sono leggi quadrate inverse, quindi spostare la carica due volte più lontano riduce la forza della forza di un fattore quattro.}}

Tuttavia, puoi anche descrivere la forza elettrica usando il concetto di un elettrico campo, che è definito come la forza della forza su una "carica di prova", ed è definito attraverso lo spazio con un valore in Newton per Coulomb.

Il campo elettrico è un vettore, tuttavia, quindi ha entrambi una forza e una direzione. Mentre è possibile definire l'intensità del campo elettrico E
semplicemente come E
\u003d F
/ q
, dove q
è la carica di prova, l'equazione più utile per questo è la legge di Gauss, una delle equazioni di Maxwell, che verrà trattata in seguito.
Cos'è il magnetismo?

Il magnetismo è un po 'più complicato dell'elettricità per descrivere in modo matematico, ma i principi di base sono molto simili. Proprio come le forze elettriche vengono descritte tra le cariche positive e le cariche negative, così anche le forze magnetiche si verificano tra i poli nord e poli sud (o poli positivi e negativi) dei magneti.

Esattamente allo stesso modo di per le forze elettriche, come i poli si respingono e i poli opposti si attraggono. Le forze magnetiche possono anche essere descritte usando il concetto di campi magnetici, che - come i campi elettrici - sono campi invisibili che permeano lo spazio e rappresentano la capacità della forza magnetica di cambiare la velocità delle particelle cariche nelle vicinanze.

Tuttavia, i poli magnetici esistono solo in coppia, come dipoli: non esistono monopoli magnetici. Se esistessero monopoli magnetici, ci sarebbe una semplice legge come la legge di Coulomb che si applicava al magnetismo piuttosto che all'elettricità, ma il magnetismo è intrinsecamente un po 'più complicato di così, e quindi le forze magnetiche tendono a essere descritte in base ai campi magnetici generati da specifici fonti. Ad esempio, esiste un'equazione per il campo magnetico di un solenoide, il campo prodotto da un filo che trasporta una corrente elettrica e così via.

I campi magnetici sono generalmente misurati in unità di uno dei Tesla (T) - chiamato dopo il fisico Nikola Tesla - o gauss (G) - dal nome di Carl Friedrich Gauss - e 1 T \u003d 10.000 G. Questa è tecnicamente una misura della densità del flusso magnetico, ma per evitare di impantanarsi nei dettagli precisi è sicuro pensare solo a questo significa approssimativamente la stessa cosa.

Un forte magnete in un laboratorio avrà un valore di circa 1 T, mentre un magnete da frigorifero sarà più simile a 0,1 T, quindi Gauss è spesso l'unità migliore per campi magnetici di tutti i giorni.
La legge e il magnetismo della forza di Lorentz

Se non vuoi lavorare con le equazioni di Maxwell, che sono generalmente molto più complicate, il modo migliore per calcolare la forza del magnetismo è usare il Legge di forza di Lorentz. Questa è una legge che comprende sia i campi magnetici che quelli elettrici, combinando due termini diversi per prevedere la forza impartita su una particella sotto l'influenza di entrambi e la direzione della forza risultante.

Per la forza magnetica, il parte della legge della forza di Lorentz è:
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}

Dove q
è la carica della particella che viaggia attraverso il campo, v è la sua (vettore) velocità e B è il campo magnetico. Dovresti anche notare che il simbolo × non è una semplice moltiplicazione, ma piuttosto un prodotto vettoriale, che produce una forza in una direzione data dalla regola della mano destra. Semplicemente, la forza della forza impartita sulla particella è data da:
F \u003d qvB \\ sin (θ)

Dove l'angolo θ
è l'angolo tra la direzione della velocità del "particle and the magnetic field.", 3, [[Questo ti dice immediatamente che l'interazione è più forte quando la particella sta viaggiando con un angolo di 90 gradi (cioè perpendicolare) al campo magnetico.
La legge della forza di Lorentz

La forma completa della legge della forza di Lorentz ti consente di rappresenta il campo elettrico e il campo magnetico e ha la forma:
\\ bold {F} \u003d q (\\ bold {E + v × B})

Dove di nuovo q
è la carica della particella, v è la sua velocità e B è l'intensità del campo magnetico, ma ora è stato preso in considerazione il contributo del campo elettrico E. Se hai il valore del campo magnetico, del campo elettrico, della carica della particella e della sua velocità, puoi calcolare la forza e la sua direzione relativamente facilmente usando la legge della forza di Lorentz.

L'unico problema è che se non conosci i dettagli del campo magnetico, dovrai comunque usare le equazioni di Maxwell per ricavarle.
Elettromagnetismo e applicazioni

L'elettromagnetismo ha una vasta gamma di applicazioni utili, in particolare legate all'elettricità domestica e alla generazione di energia.

Per un semplice esempio, il fatto che le cariche in movimento producano un campo elettrico può essere utilizzato per creare un elettromagnete: una bobina di filo con corrente che scorre attraverso di essa produrrà un elettromagnete di base. Enormi versioni ad alta potenza di questa stessa tecnologia di base vengono utilizzate per spostare automobili e rottami metallici nelle discariche, e questo è molto più utile di un magnete permanente per questo scopo perché può essere spento per far cadere il metallo.

L'induzione elettromagnetica è un altro aspetto dell'elettromagnetismo con molte applicazioni. Questa è una qualità caratteristica del legame fondamentale tra elettricità e magnetismo: proprio come una carica in movimento genera un campo magnetico, un campo magnetico mutevole può essere usato per indurre una corrente in un filo.

Questo può essere fatto da semplicemente spostando un magnete avanti e indietro nel mezzo di una bobina di filo, oppure è possibile utilizzare l'elettricità a corrente alternata (CA) per generare un campo magnetico in continua variazione e utilizzarlo per indurre una corrente in un filo.

Queste semplici tecniche sono alla base del funzionamento di strumenti cruciali come generatori di corrente e motori elettrici. I generatori di corrente funzionano spostando un filo conduttore in un campo magnetico, inducendo così una corrente elettrica.

I motori elettrici, d'altra parte, usano un anello di filo che trasporta corrente all'interno di un campo magnetico: quando la corrente scorre il filo, genera un campo magnetico, interagendo con il campo magnetico esistente e causando il movimento del filo nel processo. In breve, i generatori trasformano il movimento in corrente e i motori trasformano la corrente in movimento.
Equazioni di Maxwell

L'intero argomento dell'elettromagnetismo è meglio descritto dalle equazioni di Maxwell. Ci sono quattro equazioni in totale: la legge di Gauss, la legge senza monopolio, la legge di Faraday e la legge di Ampere. Questi sono scritti nella lingua del calcolo vettoriale e sono i seguenti:

Legge di Gauss:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {A} \u003d \\ frac {q} {ε_0 }

Dove E
è il campo elettrico, q
è la carica totale e ε
_{0 è la permittività dello spazio libero. In parole, questo dice che il flusso elettrico fuori da qualsiasi superficie chiusa è uguale alla carica chiusa divisa per la permittività dello spazio libero.}

Nessuna legge monopolare:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {A} \u003d 0

Il che afferma che il flusso magnetico fuori da qualsiasi superficie chiusa è zero - in altre parole, i monopoli magnetici non esistono!

Legge di Faraday:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \\ frac {∂ϕ_B} {∂t}

Dove ϕ
_{B è il flusso magnetico. Questo afferma che il campo elettrico attorno a un circuito chiuso è uguale a meno la velocità di variazione del flusso magnetico attraverso quel circuito - questa legge descrive il processo di induzione di una corrente in un filo usando un campo magnetico mutevole.}

Legge di Ampere:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \u003d μ_0I + \\ frac {1} {c ^ 2} \\ frac {∂} {∂t} \\ int \\ bm {E } ∙ d \\ bm {A}

Dove μ
_{0 è la permeabilità dello spazio libero e I
è la corrente che scorre attraverso il circuito. Ciò afferma che l'integrale di linea del campo magnetico attorno a un circuito chiuso è proporzionale alla corrente che fluisce attraverso lo stesso circuito - in altre parole, che le correnti elettriche generano campi magnetici.
Utilizzo delle equazioni di Maxwell}

Mentre il il linguaggio matematico delle equazioni di Maxwell è complesso (e non potrebbe essere sufficientemente introdotto in questo articolo), dovresti già comprendere i principi dell'elettromagnetismo che trasmettono.

Il processo di utilizzo delle equazioni di solito implica la scelta di un'equazione appropriata - La legge di Gauss per il calcolo di un campo elettrico a causa di un certo accumulo di carica, la legge di Faraday per il calcolo del campo elettrico indotto a causa di un campo magnetico mutevole, e la legge di Ampere per il calcolo di campi magnetici causati da una corrente elettrica - e quindi eseguire un integrale su un superficie scelta in modo appropriato o un'area da risolvere. La superficie o l'area piana è puramente teorica, ma viene utilizzata per caratterizzare i campi nello spazio tridimensionale.

Questo può spesso essere semplificato se si assume un campo uniforme attraverso la superficie o l'area prescelta. Ad esempio, la legge di Gauss per una sfera di carica chiusa può essere semplicemente scritta:
E 4πr ^ 2 \u003d \\ frac {q} {ε_0}

Che puoi vedere ne semplifica considerevolmente l'uso. Inoltre chiarisce che puoi derivare dalla legge di Coulomb da questa equazione.