I campi ci circondano. Che si tratti del campo gravitazionale causato dalla massa terrestre o dei campi elettrici creati da particelle cariche come gli elettroni, ci sono campi invisibili ovunque, che rappresentano potenziali e forze invisibili in grado di muovere oggetti con caratteristiche appropriate.

Ad esempio, un campo elettrico in un'area significa che un oggetto carico può essere deviato dal suo percorso originale quando entra nella regione e il campo gravitazionale dovuto alla massa terrestre ti tiene saldamente sulla superficie terrestre a meno che tu non faccia qualche lavoro per superare il suo influenza.

I campi magnetici sono la causa delle forze magnetiche e gli oggetti che esercitano forze magnetiche su altri oggetti lo fanno creando un campo magnetico. I campi magnetici possono essere rilevati dalla deflessione degli aghi della bussola che si allineano alle linee del campo (il nord magnetico dell'ago che punta verso il sud magnetico). Se stai studiando elettricità e magnetismo, imparare di più sui campi magnetici e sulla forza magnetica è un passaggio cruciale nel tuo viaggio.
Cos'è un campo magnetico?

In fisica in generale, i campi sono vettori con valori in ogni regione dello spazio che indicano quanto un effetto sia forte o debole in quel punto e la direzione dell'effetto. Ad esempio, un oggetto con massa, come il sole, crea un campo gravitazionale e, di conseguenza, altri oggetti con massa che entrano in quel campo sono influenzati da una forza. Ecco come l'attrazione gravitazionale del sole mantiene la Terra in orbita attorno ad essa.

Più lontano nel sistema solare, come nel raggio dell'orbita di Urano, si applica la stessa forza, ma la forza è molto inferiore. È sempre diretto direttamente al sole; se immagini una collezione di frecce che circondano il sole, tutte puntate verso di esso ma con lunghezze più lunghe a distanza ravvicinata (forza più forte) e lunghezze più piccole a lunghe distanze (forza più debole), hai praticamente immaginato il campo gravitazionale nel sistema solare.

Allo stesso modo, gli oggetti con carica creano campi elettrici e le cariche in movimento generano campi magnetici
, che possono generare una forza magnetica in un oggetto carico vicino o altri materiali magnetici .

Questi campi sono un po 'più complicati in termini di forma rispetto ai campi gravitazionali, poiché hanno linee di campo magnetico ad anello che emergono dal polo positivo (o polo nord) e terminano con il polo negativo (o polo sud) , ma ricoprono lo stesso ruolo di base. Sono come linee di forza, che ti dicono come si comporterà un oggetto posizionato in una posizione. Puoi visualizzarlo chiaramente usando limature di ferro, che si allineeranno con il campo magnetico esterno.

I campi magnetici sono sempre campi di dipolo, quindi non ci sono monopoli magnetici. Generalmente, i campi magnetici sono rappresentati con la lettera B
, ma se un campo magnetico passa attraverso un materiale magnetico, questo può diventare polarizzato e generare il proprio campo magnetico. Questo secondo campo contribuisce al primo campo e la combinazione dei due è indicata dalla lettera H
, dove H \u003d B /μ _{m e μ m \u003d K m μ 0, con μ 0 \u003d 4π × 10 ^{- 7 H /m (ovvero la permeabilità magnetica dello spazio libero) e K m è la permeabilità relativa di il materiale in questione.}}

La quantità di campo magnetico che passa attraverso una determinata area è chiamata flusso magnetico. La densità del flusso magnetico è correlata all'intensità del campo locale. Poiché i campi magnetici sono sempre dipolari, il flusso magnetico netto attraverso una superficie chiusa è 0. (Qualsiasi linea di campo che esce dalla superficie, necessariamente la immette di nuovo, annullandola.)
Unità e misure

L'unità SI dell'intensità del campo magnetico è il tesla (T), dove:

1 tesla \u003d 1 T \u003d 1 kg /A s ^{2 \u003d 1 V s /m 2 \u003d 1 N /A m}

Un'altra unità ampiamente usata per l'intensità del campo magnetico è il gauss (G), dove:

1 gauss \u003d 1 G \u003d 10 ^{- 4 T}

Il tesla è un'unità piuttosto grande, quindi in molte situazioni pratiche il gauss è una scelta più utile - ad esempio, un magnete da frigorifero avrà una forza di circa 100 G, mentre il campo magnetico terrestre sulla superficie terrestre è circa 0,5 G.
Cause dei campi magnetici

L'elettricità e il magnetismo sono fondamentalmente intrecciati perché i campi magnetici sono generati dalla carica in movimento (come le correnti elettriche) o dalla modifica dei campi elettrici, mentre un campo magnetico che cambia genera un campo elettrico.

In un magnete a barra o un oggetto magnetico simile, il campo magnetico risulta allineato da diversi "domini" magnetici, che sono a loro volta creati dal movimento degli elettroni carichi attorno ai nuclei dei loro atomi. Questi movimenti producono piccoli campi magnetici all'interno di un dominio. Nella maggior parte dei materiali, i domini avranno un allineamento casuale e si annulleranno a vicenda, ma in alcuni materiali i campi magnetici nei domini vicini si allineano e questo produce magnetismo su larga scala.

Viene generato anche il campo magnetico terrestre spostando la carica, ma in questo caso, è il movimento dello strato fuso che circonda il nucleo della Terra che crea il campo magnetico. Questo è spiegato dalla teoria della dinamo
, che descrive come un fluido rotante, caricato elettricamente, genera un campo magnetico. Il nucleo esterno della Terra contiene ferro liquido in costante movimento, con gli elettroni che viaggiano attraverso il liquido e generano il campo magnetico.

Il sole ha anche un campo magnetico e la spiegazione di come funziona è molto simile. Tuttavia, le diverse velocità di rotazione di diverse parti del sole (ad esempio il materiale fluido a diverse latitudini) inducono le linee del campo a ingarbugliarsi nel tempo, nonché a molti fenomeni associati al sole, come bagliori solari e macchie solari e il ciclo solare di circa 11 anni. Il sole ha due poli, proprio come un magnete a barra, ma i movimenti del plasma del sole e l'attività solare gradualmente crescente fanno sì che i poli magnetici si ribaltino ogni 11 anni.
Formule del campo magnetico

I campi magnetici a causa delle diverse disposizioni di carica mobile devono essere derivate individualmente, ma ci sono molte formule standard che è possibile utilizzare in modo da non dover "reinventare la ruota" ogni volta. Puoi ricavare formule per praticamente qualsiasi accordo di carica mobile usando la legge di Biot-Savart o la legge di Ampere-Maxwell. Tuttavia, le formule risultanti per semplici disposizioni di corrente elettrica sono così comunemente usate e citate che puoi semplicemente trattarle come "formule standard" piuttosto che derivarle dalla legge Biot-Savart o Ampere-Maxwell ogni volta.

Il campo magnetico di una corrente di linea retta è determinato dalla legge di Ampere (una forma più semplice della legge di Ampere-Maxwell) come:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r}

Where μ
_{0 è come definito in precedenza, I
è la corrente in ampere e r
è la distanza dal filo che stai misurando il campo magnetico.}

Il campo magnetico al centro di un loop di corrente è dato da:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 R}

Dove R
è il raggio del loop e gli altri simboli sono definiti in precedenza.

Infine, il campo magnetico di un solenoide è dato da:
B \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I

Where N
è il numero di giri e L
è la lunghezza del solenoide. Il campo magnetico di un solenoide è in gran parte concentrato al centro della bobina.
Esempi di calcoli

Imparare a usare queste equazioni (e quelle come loro) è la cosa principale che dovrete fare durante il calcolo un campo magnetico o la forza magnetica risultante, quindi un esempio di ciascuno ti aiuterà ad affrontare il tipo di problemi che potresti incontrare.

Per un filo lungo e diritto che trasporta una corrente di 5 ampere (ad es. I \u003d 5 A), qual è la forza del campo magnetico a 0,5 m di distanza dal filo?

Usando la prima equazione con I \u003d 5 A e r \u003d 0,5 m si ottiene:
\\ begin {allineato} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 5 \\ text {A}} {2π × 0,5 \\ text { m}} \\\\ &\u003d 2 × 10 ^ {- 6} \\ text {T} \\ end {align}

Ora per un loop di corrente che trasporta I \u003d 10 A e con un raggio di r \u003d 0,2 m, cos'è il campo magnetico al centro del circuito? La seconda equazione fornisce:
\\ begin {allineato} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2R} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 10 \\ text {A}} {2 × 0,2 \\ text {m}} \\\\ &\u003d 3,14 × 10 ^ {- 5} \\ text {T} \\ end {align}

Infine, per un solenoide con N \u003d 15 giri in una lunghezza di L \u003d 0,1 m, portando una corrente di 4 A, qual è la forza del campo magnetico al centro?

La terza equazione fornisce:
\\ begin {allineato} B &\u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I \\\\ &\u003d 4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × \\ frac {15 \\ text {giri}} {0.1 \\ text {m}} × 4 \\ text {A} \\\\ &\u003d 7.54 × 10 ^ {- 4} \\ text {T} \\ end {align}

Altri calcoli di campi magnetici di esempio potrebbero funzionare in modo leggermente diverso, ad esempio indicandoti il campo al centro di un solenoide e la corrente, ma chiedendo il rapporto N /L - ma finché conoscerai le equazioni, non avrai problemi a risponderle.