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Dai suoi volenterosi studenti...

GEOMAGNETISMO

BUSSOLA

ØRSTED

FARADAY

AMPERE

Kisses, Boys.

Le origini del magnetismo terrestre sono state oggetto di molteplici ipotesi, ma le teorie moderne si orientano verso un modello che simula una dinamo autoeccitante. La scoperta del magnetismo terrestre è tradizionalmente attribuita alle osservazioni di Pierre de Maricourt. Tuttavia, uno dei contributi più significativi alla comprensione di questo fenomeno risale al 1600, quando William Gilbert, fisico e scienziato, riconobbe per primo la distinzione tra magnetismo ed elettricità, e intuì che la Terra si comporta come un enorme magnete, capace di orientare l'ago delle bussole verso il Polo Nord magnetico. Sebbene le sue scoperte fossero basate solo su osservazioni, senza dati numerici, esse anticiparono le teorie della gravità di Newton di quasi un secolo.

ORIGINI

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Il magnetismo terrestre è un fenomeno fisico naturale che caratterizza il nostro pianeta, simile al campo magnetico generato da un dipolo magnetico. Questo campo presenta poli magnetici che non coincidono con i poli geografici e non sono fissi, con un asse inclinato di circa 9,34° rispetto all'asse di rotazione terrestre. L'intensità del campo geomagnetico sulla superficie terrestre varia tra 25 e 65 microtesla (equivalente a 0,25–0,65 gauss).

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GEOMAGNETISMO

Abbiamo visto che il Polo Nord magnetico e quello geografico non solo sono due concetti distinti, ma si trovano anche in posizioni diverse. Questo era ben noto ai navigatori del passato, che dovevano eseguire calcoli complessi per correggere la differenza tra i due poli e arrivare a destinazione senza errori. La distanza angolare tra il Polo Nord geografico e il Polo Nord magnetico è descritta dalla declinazione magnetica. Per comprendere meglio questo concetto, possiamo immaginare due linee: una che passa per il Polo Nord magnetico, indicata con la lettera M, e una che passa per il Polo Nord geografico, indicata con la lettera G. L'angolo che si forma tra queste due linee, che chiamiamo D, rappresenta la declinazione magnetica. Questo angolo varia a seconda della posizione sulla Terra e, quanto più grande è l'angolo D, maggiore è la distanza tra il Polo Nord geografico e quello magnetico. La declinazione magnetica, quindi, è un valore che cambia continuamente, e i navigatori devono tenerne conto per determinare la corretta rotta, poiché le bussole indicano sempre il nord magnetico, non quello geografico.

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DISTANZA TRA POLI

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EFFETTI VISIBILI

Il magnetismo terrestre ha numerosi effetti visibili e misurabili, uno dei più spettacolari dei quali è l'aurora polare, che si verifica quando il vento solare interagisce con la magnetosfera terrestre. Quest'ultima, estendendosi per decine di migliaia di chilometri nello spazio, forma un'area protettiva chiamata magnetosfera, che funge da scudo contro i raggi cosmici e le particelle cariche. Questo "scudo" elettromagnetico devia la maggior parte delle particelle pericolose, riducendo significativamente la loro quantità che raggiunge il suolo, e contribuendo così a proteggere la vita sulla Terra. Le fasce di Van Allen, che si trovano all'interno di questa regione, sono un altro esempio dell'importante ruolo del campo magnetico nel mantenimento delle condizioni favorevoli alla vita.

Il Polo Nord geografico è il punto di intersezione tra l'asse di rotazione terrestre e la superficie del pianeta nell'emisfero boreale (cioè nell'emisfero nord). In altre parole, è il punto fisso dove il pianeta ruota intorno al suo asse. Al contrario, il Polo Nord magnetico è il punto della superficie terrestre dove le linee del campo magnetico terrestre sono perpendicolari alla superficie. È il luogo verso cui puntano le bussole, ma, a differenza del Polo Nord geografico, il Polo Nord magnetico non è fisso e si sposta nel tempo. -Il Polo Nord geografico si trova nel mezzo dell'Oceano Artico, coperto da uno strato di ghiaccio spesso alcuni metri, mentre il Polo Sud geografico è situato in Antartide. Questi punti, che rappresentano l'intersezione dell'asse terrestre con la superficie del pianeta, possono essere considerati fissi nel tempo. -Il campo magnetico terrestre, invece, può essere visto come il risultato di una gigantesca calamita che attraversa il pianeta. Come tutte le calamite, anche la Terra ha due poli: uno positivo e uno negativo. Il polo positivo, chiamato "nord", è quello verso cui punta l'ago della bussola, ed è per questo che viene indicato come "nord magnetico". Tuttavia, a causa della natura dinamica del campo magnetico terrestre, il Polo Nord magnetico non è stabile nel tempo. Questo spiega la discrepanza tra il Polo Nord geografico e quello magnetico, che si trovano in punti differenti della Terra.

POLI GEOGRAFICI, MAGNETICI E GEOMAGNETICI

P.S.

Inoltre, nel corso delle ere geologiche, si sono verificati ciclici eventi di inversione magnetica, durante i quali i poli magnetici si scambiano di posizione: il Polo Nord magnetico diventa il Polo Sud e viceversa. Questo fenomeno ha avuto luogo numerose volte nella storia del pianeta, e l'umanità ha sopravvissuto ad almeno cinque inversioni magnetiche registrate.

Come spesso accade in natura, la situazione è più complessa di quanto possa sembrare a prima vista. Finora abbiamo parlato dei Poli Nord geografico e magnetico, ma in realtà esiste anche una terza tipologia: il Polo Nord geomagnetico. Questo concetto si basa non su osservazioni dirette, ma su modelli matematici. Vediamo più nel dettaglio le differenze tra il nord magnetico e il nord geomagnetico. I poli magnetici sono i punti in cui il campo geomagnetico terrestre è perpendicolare alla superficie terrestre. Idealmente, i poli magnetici dovrebbero trovarsi agli antipodi, cioè su lati opposti della Terra, simmetrici rispetto al centro del pianeta. Tuttavia, il campo magnetico terrestre è molto più complesso di quello teorico di una calamita perfetta, quindi i poli magnetici non sono perfettamente allineati. I poli geomagnetici, invece, non sono punti osservabili direttamente sulla superficie della Terra. Si calcolano tramite modelli matematici che assumono che all'interno del pianeta ci sia un "magnete ideale" perfetto, con i poli nord e sud perfettamente allineati tra loro. Questo modello teorico non può essere visto a occhio nudo e non può essere individuato con una bussola, poiché si tratta di un concetto astratto basato su calcoli.

POLI GEOMAGNETICI

Attualmente, il Polo Nord geomagnetico si trova nell'area dell'isola di Ellesmere, in Canada, mentre il Polo Sud geomagnetico si trova al largo della Terra di Wilkes, in Antartide. Questi poli geomagnetici rappresentano la posizione teorica dei poli di un "magnete ideale" che descrive il comportamento del campo magnetico terrestre. La loro posizione non è fissa, ma cambia nel tempo, a causa delle fluttuazioni e dei movimenti all'interno del nucleo terrestre.

P.S.

La prima descrizione esatta del campo magnetico terrestre, comprensiva di uno studio fisico-matematico e della delineazione delle linee di forza, fu proposta da Carl Friedrich Gauss nel 1832. In prima approssimazione, il campo magnetico terrestre può essere assimilato al campo prodotto da un dipolo situato al centro della Terra, inclinato di 9,34° rispetto all'asse terrestre. Questo dipolo ha il proprio polo nord magnetico diretto verso il nord geografico, e i punti di intersezione dell'asse del dipolo con la superficie terrestre sono chiamati poli geomagnetici. La forza del campo magnetico sulla superficie terrestre varia in funzione della distanza dai poli. All'equatore, il campo ha un'intensità di circa 20.000 nT (nanotesla), mentre alle zone polari raggiunge i 70.000 nT. La massima intensità del campo si trova ai poli e la minima all'equatore. Tuttavia, il modello del campo prodotto da un dipolo è solo un'approssimazione. Un dipolo perfetto non potrebbe esistere, poiché il nucleo terrestre è situato a temperature molto superiori ai 1043 K (circa 770°C), la temperatura di Curie, sopra la quale i minerali ferromagnetici perdono le loro proprietà magnetiche e diventano paramagnetici.

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CARATTERISTICHE

In realtà, il campo geomagnetico non è omogeneo sulla superficie terrestre, e le sue variazioni non sono correlate direttamente né alla geologia superficiale né alla morfologia topografica. L'analisi armonica sferica dei dati del campo magnetico ha mostrato che oltre il 94% del campo magnetico è di origine interna alla Terra, mentre la restante parte è di origine esterna. Il campo geomagnetico può essere suddiviso in tre componenti principali: 1) Campo nucleare: Questo campo, che ha origine nel nucleo esterno della Terra, è generato da correnti elettriche e cambia lentamente nel tempo. Il suo contributo al campo totale è superiore al 94% ed è responsabile dei termini armonici fino al dodicesimo ordine circa. 2) Campo crostale: Questo campo è generato dalle rocce magnetizzate dal campo nucleare, e crea anomalie magnetiche locali. Il suo contributo è relativamente piccolo, nell'ordine di qualche punto percentuale, e riguarda i termini armonici di ordine superiore al quindicesimo. 3) Campo esterno o atmosferico e campo indotto interno: Campo esterno: Prodotto da correnti elettriche generate nell'atmosfera terrestre, dovute all'interazione tra il campo magnetico e il vento solare. Campo indotto interno: Questo campo è il risultato di un campo indotto nelle rocce della crosta e nel mantello terrestre, causato dalle stesse correnti atmosferiche.

Il nostro pianeta è composto da diversi strati: la crosta, il mantello, il nucleo esterno e il nucleo interno. Tutti questi strati sono solidi, tranne il nucleo esterno, che è liquido. E, curioso ma significativo, è proprio il nucleo esterno liquido che genera il campo magnetico terrestre. Questo strato è composto principalmente da ferro e nichel, che, alle condizioni di temperatura e pressione presenti in quella zona, sono buoni conduttori elettrici. Per questo motivo, il campo magnetico terrestre nasce grazie a un processo simile a quello che avviene in una dinamo. Il principio base di una dinamo è relativamente semplice: l'energia meccanica (come quella prodotta dalla pedalata su una bicicletta) viene trasferita a una spirale di materiale conduttore che, ruotando in un campo magnetico (creato da magneti permanenti), induce una corrente elettrica. Un meccanismo simile avviene nel nucleo terrestre: anziché generare una corrente elettrica, tuttavia, si genera un campo magnetico. Nel nucleo esterno, che è costituito da una massa liquida di ferro e nichel, il movimento di questa massa liquida, essendo elettricamente carica, consente la generazione e il mantenimento del campo magnetico. In altre parole, il movimento di questo materiale conduttore nel nucleo esterno è responsabile del generatore del campo magnetico, creando correnti indotte che, a loro volta, generano il campo stesso. Questo processo è noto come dinamo geodinamica.

la

FORMAZIONE DEL CAMPO GEOMAG

Il campo magnetico terrestre, in realtà, non si limita ai confini della Terra, ma si estende molto più lontano nello spazio, dando origine a una regione che prende il nome di magnetosfera. La magnetosfera ha un ruolo fondamentale nel proteggere la Terra dal vento solare, che è un flusso di particelle cariche (principalmente elettroni e protoni) emesse dal Sole e dirette verso gli altri corpi celesti del sistema solare. La magnetosfera agisce come una sorta di scudo protettivo. Quando il vento solare raggiunge la Terra, la magnetosfera devia le particelle cariche, impedendo loro di colpire direttamente il nostro pianeta. In particolare, le particelle cariche vengono concentrate in due fasce, le fasce di Van Allen, situate a circa 3.000 e 16.000 chilometri di altitudine sopra la superficie terrestre. Queste fasce di radiazione rappresentano una barriera naturale che protegge la vita sulla Terra. Senza il campo magnetico, che alimenta la magnetosfera, queste particelle solari colpirebbero la superficie del pianeta, distruggendo l'atmosfera e rendendo impossibile la vita come la conosciamo. Anche se non possiamo vedere direttamente la magnetosfera, possiamo osservare uno degli effetti visibili delle particelle solari interagenti con il campo magnetico: le aurore polari. Le aurore, che possiamo ammirare nelle regioni vicine ai circoli polari, sono il risultato di questa interazione. Quando le particelle cariche del vento solare vengono deviate e accelerate lungo le linee del campo magnetico, queste collidono con gli atomi nell'atmosfera terrestre, causando l'emissione di luce, che dà origine agli spettacolari fenomeni luminosi che conosciamo come aurore boreali nell'emisfero nord e aurore australi nell'emisfero sud.

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MAGNETOSFERA

lo strumento che permette ai naviganti di di individuare la direzione del nord è la bussola che puo’ essere magnetica o amagnetica, quest’ultima a causa dell’estrema complessità nel funzionamento viene utilizzata per di più su navi militari e su mercantili di notevole stazza; si evidenzia la “girobussola” che nella sua concezione essenziale si si basa sulle qualità specifiche del giroscopio, massa inerziale, ruotante su sospensione cardanica e capace di disporre il suo asse orizzontale esattamente lungo quello N-S. certamente più comune sulle imbarcazioni da diporto la generica bussola magnetica che a sua volta puo essere a secco o a liquido, nella nautica viene generalmente utilizzata quella a liquido in grado di assorbire scosse e vibrazioni e di conferire alla rosa dei venti incisa sul disco magnetico massima stabilità e direttività. la tradizionale bussola magnetica è costituita da: 1)mortaio: l’involucro (amagnetico) che fa da contenitore per far si che durante i movimenti di rollio e di beccheggio (rispettivamente sull’asse trasversale e longitudinale dell’imbarcazione) la rosa conservi la sua orizzontalità il mortaio è montato su sospensione cardanica, costituita da due cerchi concentrici a snodo.

la

BUSSOLA

2)liquido: miscela formata al 70% da acqua distillata e da alcol puro quest’ultimo fondamentale al fine di abbassare fino a circ -20° il punto di congelamento 3) punta di sospensione: il perno che si erge dal fondo del mortaio e sul quale poggia la rosa 4) rosa: disco (amagnetico) graduato da 0 a 360° in senso orario integrata da un galleggiante detto cappelletto conico con una pietra dura all’interno, mediante il quale poggia con il minimo attrito sulla punta di sospensione 5) equipaggio magnetico: l’elemento sensibile , materializzante la direzione del nord, è formato da più aghi magnetici fissati inferiormente alla rosa e solidali con essa posti normali all’asse 90-270 6) linea di fede: sulla parte interna, solidale con la nave, è segnata la linea di fede la cui posiione rispetto alla gradazione della rosa ( che non partecipa al movimento di rotazione dello scafo) da immediatamente la direzione della prora dell’imbarcazione

come detto precedentemente il campo magnetico terrestre è costituito da due poli magnetici non coincidenti con quelli geografici e non statici; per questo motivo l’ago magnetico di una bussola -a terra o su di un veliero- non indica esattamente la direzione del nord vero in quanto, a causa proprio del magnetismo terrestre, dirige verso altra direzione dicesi meridiano magnetico che definisce la posizione del nord magnetico. l’angolo compreso tra la direzione del nord vero e la direzione del nord magnetico si dice declinazione magnetica (d) la quale puo’ essere positiva o negativa a seconda che l’ago si sposti verso est o verso ovest rispetto al nord vero; corrisponde a 0° in coincidenza tra nord vero e nord magnetico. essa varia da zona a zona e nella stessa zona seppur lentamente varia nel tempo.

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DECLINAZIONE MAG

le bussole di bordo oltre che dal campo magnetico terrestre sono influenzate da un campo magnetico di bordo generato dalle forze deviatrici -masse metalliche e circuiti elettrici- che compongono l’imbarcazione. l’ago percio’ non si dispone più indicando il meridiano magnetico, bensì devia da questo disponendosi verso una nuova direzione dicesi meridiano bussola e che definisce il nord bussola. l’angolo compreso tra nord bussola e nord magnetico si dice deviazione magnetica (sigma) la quale come il valore della declinazione sarà positiva o negativa a seconda che l’ago si sposti verso est o verso ovest rispetto al nord magnetico. la deviazione varia con il mutamento della direzione della prora dell’imbarcazione e varia anche in tal modo, rispetto all’ago, la posizione e quindi l’influenza delle masse ferrose di bordo. essa tuttavia puo’ essere ridotta a valori minimi (mai annullata del tutto) sottoponendo la bussola alla cosidetta compensazione magnetica. al termine delle operazioni (i così detti “giri di bussola” eseguiti a bordo da specialisti) verrà redatta la cosidetta tabella delle deviazioni residue, propria di ciascuna bussola e ciascuna imbarcazione e compresa nell’obbligo dei documenti a bordo.

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INTERFERENZE

la bussola è uno strumento indispensabile ai fini della navigazione perchè com'è facile intuire questo permette sia di individuare facilmente sia la direzione dei poli magnetici, sia, incrociandone i risultati con quelli delle carte nautiche, la posizione dell'imbarcazione.per conoscere e poter sfruttare questa funzione va introdotto un sistema di riferimento dal quale ricavare due coordinate univoche ed inequivocabili; questo sistema di riferimento è essenzialmente costituito da: 1) equatore: il circolo massimo fondamentale, al quale si rapportano le latidudini dei luoghi, e che divide la terra in due emisferi Nord e Sud 2) meridiano di greenwich: il semicircolo massimo fondamentale che unisce i poli, ovvero il meridiano 0° al quale si rapportano le longitudini dei luoghi, e che divide la terra in due emisferi Est e Ovest 3) paralleli: gli infiniti circoli minori che si dipartono parallelamente dall'equatore ai poli; convenzionalmente ai fini del riferimento, se ne considerano 180, di cui 90 verso sud e 90 verso nord 4) meridiani: gli infiniti semicerchi massimi che vanno da un polo all'altro. ai fini del riferimento i 360 semicerchi (che tagliano l'equatore in 360°) che si dipartono da greenwich (0°) fino all'antimeridiano di greenwich (180°) di cui 180 verso est e 180 verso ovest 5) grado: l'unità di misura angolare, pari alla 360ma parte di un cerchio, ogni grado si divide in 60' ed ogni primo in 60''

gli

UTILIZZI

MIGLIO NAUTICO: l'unità della misura di distanza in mare, equivalente a 1852m perchè considerando che l'equatore ha una lunghezza di circa 40.000km e che arrotondandolo ad una circonferenza sia composto da 360° quindi 21.600' basterà dividere 40.000 per 21.600 ottenendo 1851,85 per convenzione 1852m

NOTE:

descritto questo sistema di riferimento si puo' introdurre il concetto di coordinate, la longitudine e la latidudine: 1) la latidudine: è l'arco di meridiano compreso tra l'equatore (0°) ed il punto p preso in considerazione. si conta da 0° a +90° verso nord e da 0° a -90° verso sud 2) grado di latidudine: la distanza angolare dall'uno all'altro dei 90 paralleli considerati. 1° di lat corrisponde a 60 miglia. quindi per quanto detto prima 1' di latidudine corrisponde alla distanza di 1 miglio marino 3) la longitudine: è l'arco di equatore compreso tra il meridiano di greenwich e ed il meridiano del punto in esame. si conta da 0° a 180° verso est e da 0° e -180° verso ovest 4) grado di longitudine: la distanza angolare dall'uno all'altro dei 360 meridiani. 1° di longitudine corrisponde a 60 miglia solo lungo l'equatore

LA STORIA..

Nel 1820, Hans Christian Ørsted stava insegnando fisica all'Università di Copenaghen. Durante un esperimento di routine, stava mostrando agli studenti gli effetti della corrente elettrica quando, per caso, osservò che una bussola magnetica posta vicino a un filo conduttore, attraverso il quale passava corrente, devia dalla sua normale orientazione verso il nord. Ørsted capì che la corrente nel filo stava influenzando la bussola, suggerendo che la corrente elettrica generasse un campo magnetico. Questa scoperta fu un punto di svolta, poiché dimostrò per la prima volta che elettricità e magnetismo erano fenomeni strettamente legati. Ørsted formulò la legge che una corrente elettrica provoca la deviazione di una bussola, e cioè che intorno a un filo percorso da corrente c'è un campo magnetico.

Dettagli metodologici dell'esperimento:

Ørsted aveva un apparecchio semplice ma ingegnoso: Filo conduttore: Un filo di rame sospeso orizzontalmente. Bussola: Una bussola magnetica posizionata perpendicolarmente al filo, in modo da osservare qualsiasi movimento angolare. Batteria: Una batteria che alimentava il circuito elettrico per far passare corrente nel filo. Quando la corrente elettrica scorreva nel filo, Ørsted notò che la bussola non si orientava più lungo l'asse nord-sud, come normalmente fa, ma si allineava perpendicolarmente al filo stesso. Questo suggeriva che la corrente eletrica stava creando un "campo" che agiva sulla bussola, ovvero un campo magnetico.

Impatti e applicazioni

L'esperimento di Ørsted e le scoperte successive hanno avuto un impatto enorme sulla scienza e sulla tecnologia, creando una base per sviluppi che hanno cambiato radicalmente la nostra vita quotidiana. Motori elettrici: La comprensione dell'interazione tra corrente e magnetismo è alla base della costruzione di motori elettrici, che sono diventati una pietra angolare dell'industria moderna. Trasformatori: I trasformatori, che permettono di cambiare il voltaggio nelle linee elettriche, si basano su fenomeni elettromagnetici scoperti da Faraday e successivamente formalizzati da Maxwell. Telecomunicazioni: Le onde elettromagnetiche (radio, microonde, ecc.) sono un'applicazione diretta delle leggi dell'elettromagnetismo, e sono alla base delle comunicazioni moderne, inclusi radio, TV, telefoni cellulari e Internet. Tecnologie moderne: Il concetto di campo elettromagnetico è alla base di molte tecnologie moderne, comprese le antenne, i radar, e dispositivi come i forni a microonde.

L'esperimento di Ørsted dimostrò che un flusso di corrente elettrica genera un campo magnetico. Questa fu una scoperta fondamentale perché fino ad allora si pensava che elettricità e magnetismo fossero fenomeni separati. Ørsted non riuscì a formulare una teoria matematica completa per spiegare questa connessione, ma il suo esperimento fornì un'importante intuizione: che l'elettricità e il magnetismo erano legati, e che il magnetismo poteva essere generato dalla corrente elettrica.

Interpretazione della scoperta

CONCLUSIONI:

L'esperimento di Ørsted fu una pietra miliare nella comprensione delle leggi della natura, perché dimostrò la connessione tra due fenomeni precedentemente considerati distinti: l'elettricità e il magnetismo. Questa scoperta non solo cambiò il corso della fisica, ma anche la nostra visione del mondo naturale, aprendo la strada a una serie di scoperte che sono alla base delle tecnologie moderne. La relazione tra corrente elettrica e campo magnetico è ora fondamentale per una miriade di dispositivi e applicazioni, e l'elettromagnetismo rimane una delle aree centrali della fisica teorica e applicata. L'esperimento di Ørsted segna davvero una delle grandi svolte nel pensiero scientifico, indicando che il nostro universo è più interconnesso di quanto si pensasse e che fenomeni apparentemente separati possono essere unificati da leggi fisiche comuni.

IL CONTESTO STORICO...

Nel periodo in cui Ørsted scoprì che la corrente elettrica genera un campo magnetico, l'elettricità era un campo di grande interesse. Tuttavia, non esisteva ancora una teoria sistematica e quantitativa delle forze tra correnti elettriche. Ampère, che era già un professore di matematica e fisica a Parigi, fu immediatamente colpito dalla scoperta di Ørsted e iniziò a esplorare le implicazioni di questa nuova connessione tra corrente e magnetismo. L'idea che le correnti potessero interagire tramite campi magnetici era nuova, e Ampère sentiva il bisogno di formulare una legge che potesse spiegare quantitativamente queste interazioni. Fu un periodo di grande fermento scientifico, in cui i fisici cercavano di descrivere e quantificare le forze naturali, come la gravità e il magnetismo.

L'ESPERIMENTO

Dal 1820 al 1827, Ampère condusse esperimenti per misurare la forza tra due fili conduttori percorsi da corrente. La sua intuizione fu quella di esplorare quanto la forza magnetica dipendesse dall'intensità della corrente e dalla distanza tra i fili. Ampère osservò che due fili percorsi da corrente si attraggono o respingono a seconda della direzione della corrente. Inoltre, scoprì che la forza tra i fili era proporzionale al prodotto delle correnti e inversamente proporzionale alla distanza tra di essi. Ampère formulò la sua legge, che oggi porta il suo nome, e che descrive la forza tra due correnti elettriche. Fu uno dei primi a quantificare la relazione tra corrente elettrica e il campo magnetico. Inoltre, estese la sua teoria introducendo il concetto di "elementi di corrente" e sviluppò una teoria delle correnti elettriche come causa dei campi magnetici.

L'ESPERIMENTO

L'esperimento di Ampère si concentrò sull'analisi della forza di interazione tra due fili conduttori percorsi da corrente elettrica. Il punto chiave della sua indagine era capire come le correnti elettriche, quando percorrono due fili paralleli, possano influenzarsi reciprocamente attraverso il campo magnetico che esse stesse generano. Setup dell'esperimento: Fili conduttori paralleli: Ampère posizionò due fili lunghi e paralleli in un campo magnetico, lasciandoli percorrere da correnti elettriche. Forza tra i fili: Osservò che i fili si attraevano o si respingevano a seconda della direzione della corrente. Se la corrente nei fili scorreva nella stessa direzione, i fili si attraevano, mentre se la corrente scorreva in direzioni opposte, i fili si respingevano. Misurazione della forza: Ampère riuscì a misurare la forza che si esercitava tra i fili in funzione dell'intensità della corrente, della distanza tra i fili e della lunghezza dei fili stessi.

Conseguenze e implicazioni

L'esperimento di Ampère ebbe un enorme impatto sulla comprensione delle interazioni elettromagnetiche e contribuì in modo significativo allo sviluppo della teoria dell'elettromagnetismo. Alcuni degli aspetti più importanti di questa scoperta includono: A. Interazione tra correnti: Ampère fu il primo a formalizzare l'idea che le correnti elettriche non solo generano campi magnetici (come aveva scoperto Ørsted), ma che le correnti stesse interagiscono attraverso questi campi. Il fatto che correnti parallele si attraggano o si respingano a seconda della direzione della corrente fu un risultato fondamentale nella comprensione delle forze elettromagnetiche. B. L'unità di misura dell'intensità di corrente: Nel 1881, un'unità di misura della corrente elettrica fu chiamata "ampere" in onore di Ampère, come riconoscimento per il suo ruolo fondamentale nella comprensione

Conseguenze e implicazioni

L'esperimento e le leggi di Ampère sono alla base di molte tecnologie moderne: Motori elettrici e generatori: Le forze tra correnti elettriche vengono utilizzate per produrre movimento meccanico nei motori elettrici, così come per generare corrente in generatori elettrici. Trasformatori: Il principio che le correnti generano campi magnetici viene sfruttato anche nei trasformatori, che modificano la tensione della corrente alternata. Elettromagneti: La legge di Ampère è anche alla base del funzionamento degli elettromagneti, che vengono utilizzati in una vasta gamma di dispositivi, dai solenoidi alle gru industriali che sollevano oggetti pesanti. L'esperimento di Ampère e la sua legge rappresentano uno dei passi più importanti nella comprensione dell'elettromagnetismo. Ampère non solo ha fornito una descrizione quantitativa delle forze tra correnti elettriche, ma ha anche gettato le basi per il concetto di campo magnetico e per l'unificazione dei fenomeni elettrici e magnetici, che avrebbero poi trovato una completa formulazione nelle equazioni di Maxwell. La sua scoperta ha avuto applicazioni pratiche immediatamente importanti e continua a essere alla base di molte delle tecnologie moderne.

IL CONTESTO STORICO:

Nel periodo in cui Ampère stava sviluppando la sua teoria, il campo dell'elettromagnetismo era già emerso come un'area di grande interesse, ma c'era ancora molto da capire. Nonostante le scoperte di Ørsted e Ampère, la relazione tra magnetismo e elettricità non era ancora completamente compresa, in particolare in relazione alla possibilità che il magnetismo potesse produrre elettricità. Michael Faraday, un fisico autodidatta, stava conducendo esperimenti nel laboratorio della Royal Institution di Londra. Nel 1820, mentre Ørsted stava scoprendo l'influenza della corrente sul magnetismo, Faraday stava iniziando ad esplorare il concetto di "campo" e come i campi magnetici potessero interagire con la materia.

L'ESPERIMENTO:

Nel 1831, Faraday scoprì il fenomeno della induzione elettromagnetica, che dimostrava che un campo magnetico variabile poteva generare una corrente elettrica in un circuito. Faraday utilizzò un magnete che veniva fatto muovere all'interno o vicino a una bobina di filo, osservando che la corrente veniva indotta nel filo solo quando il campo magnetico cambiava, cioè solo quando il flusso magnetico attraverso la bobina variava. Faraday formulò la legge dell'induzione elettromagnetica, che afferma che la forza elettromotrice indotta in un circuito è proporzionale alla velocità con cui il flusso magnetico cambia attraverso il circuito. Questa legge è alla base dei generatori elettrici e della produzione di energia elettrica, che sono essenziali nella tecnologia moderna.

L'ESPERIMENTO:

Faraday condusse vari esperimenti per investigare come il magnetismo potesse influire sull'elettricità. Ecco una descrizione di uno dei suoi esperimenti più emblematici: Setup: Faraday avvolse un filo di rame in una bobina, creando così un circuito chiuso. Questo circuito era collegato a un galvanometro, che serviva per rilevare la presenza e la quantità di corrente elettrica. Magneti: Utilizzò un magnete permanente che poteva essere spostato dentro e fuori dalla bobina. Osservazione: Faraday osservò che quando il magnete veniva spostato rapidamente dentro e fuori dalla bobina, il galvanometro mostrava una deflessione, segnalando che veniva generata una corrente elettrica. Tuttavia, se il magnete era fermo, non veniva generata alcuna corrente. Risultato: Faraday concluse che la corrente veniva indotta nel circuito solo quando c'era una variazione del campo magnetico. La velocità con cui il magnete veniva spostato dentro e fuori la bobina influiva sulla grandezza della corrente indotta: più rapidamente si muoveva il magnete, maggiore era la corrente generata.

Legge di Faraday sull'induzione

La scoperta di Faraday portò alla formulazione della legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica, che può essere espressa nel modo seguente: "La forza elettromotrice (fem) indotta in un circuito chiuso è proporzionale alla velocità con cui cambia il flusso magnetico che lo attraversa." In altre parole, una variazione del flusso magnetico attraverso una superficie chiusa genera una corrente elettrica (o forza elettromotrice) nel circuito che attraversa tale superficie. Il flusso magnetico è il prodotto della densità del campo magnetico e della superficie che attraversa il campo. e indotta: più rapidamente si muoveva il magnete, maggiore era la corrente generata.

Legge di Faraday sull'induzione

La scoperta di Faraday sull'induzione elettromagnetica è di importanza fondamentale per diversi motivi: Unificazione di elettricità e magnetismo: Faraday dimostrò che i fenomeni elettrici e magnetici erano strettamente connessi, come suggerito inizialmente da Ørsted. In particolare, il magnetismo poteva essere utilizzato per generare elettricità, il che portò alla comprensione che l'elettricità e il magnetismo erano aspetti di un fenomeno unico: il campo elettromagnetico. Generazione di energia elettrica: L'induzione elettromagnetica è il principio alla base dei generatori elettrici. In un generatore, un magnete (o una bobina) viene fatto muovere all'interno di un circuito per indurre una corrente elettrica. Questo è esattamente il principio che sta alla base della produzione di energia elettrica in tutte le centrali elettriche moderne, siano esse a combustibile fossile, nucleari, idroelettriche o eoliche. Trasformatori: La legge dell'induzione elettromagnetica è anche alla base del funzionamento dei trasformatori, che permettono di modificare il voltaggio della corrente alternata nelle linee elettriche. Nei trasformatori, un campo magnetico variabile in una bobina induce una corrente in un'altra bobina.

Faraday e il campo elettromagnetico

Un altro aspetto importante del lavoro di Faraday riguarda la sua intuizione riguardo al campo magnetico. Faraday non aveva il linguaggio matematico per descrivere il campo come avrebbe fatto Maxwell più tardi, ma intuì che il magnetismo non era un fenomeno "istantaneo" che agiva solo attraverso linee di forza statiche, ma piuttosto un fenomeno dinamico che interagiva con i corpi e le cariche in movimento. Faraday introdusse anche il concetto di linee di forza, utilizzando questa metafora per descrivere visivamente come il campo magnetico interagisce con la materia. Sebbene non avesse il formalismo matematico, le intuizioni di Faraday furono fondamentali per il lavoro successivo di James Clerk Maxwell, che formalizzò l'elettromagnetismo come un campo unificato di forze con le sue famose equazioni.

Faraday e il campo elettromagnetico

La scoperta dell'induzione elettromagnetica ha avuto un impatto rivoluzionario, tanto che possiamo considerarla la base su cui sono state costruite molte delle tecnologie moderne. Alcuni esempi includono: Generazione di energia elettrica: La maggior parte dell'energia elettrica prodotta oggi (ad esempio nelle centrali elettriche) si basa sull'induzione elettromagnetica. Le turbine che ruotano e fanno passare magneti attraverso bobine di filo (o viceversa) per generare corrente elettrica sono una diretta applicazione della legge di Faraday. Motori elettrici e trasformatore: I motori elettrici, che sono essenziali per milioni di applicazioni industriali, e i trasformatori, che distribuiscono l'energia elettrica nelle case, si basano entrambi sull'induzione elettromagnetica. Tecnologie di comunicazione: Le onde elettromagnetiche, che sono alla base di tutti i sistemi di comunicazione wireless (radio, televisione, telefonia mobile, Wi-Fi, ecc.), sono un'estensione diretta della scoperta di Faraday. In sintesi, l'esperimento di Faraday sull'induzione elettromagnetica ha trasformato il nostro approccio alla fisica, mostrando che i fenomeni elettrici e magnetici sono intimamente legati e che il magnetismo può essere usato per generare corrente elettrica, portando a una rivoluzione nel modo in cui produciamo, distribuiamo e utilizziamo l'energia.

- Michael Faraday esplorò la relazione tra corrente elettrica e campo magnetico, mostrando che una corrente elettrica in un filo conduttore può essere influenzata da un campo magnetico. Configurazione dell'esperimento: 1. Filo di rame collegato a una batteria (fonte di corrente elettrica). 2. Un magnete permanente (come un magnete a barra) posto vicino al filo. 3. La corrente elettrica fluisce attraverso il filo di rame, e il campo magnetico prodotto interagisce con il campo del magnete. Osservazioni principali: - Quando la corrente passava nel filo, il filo si muoveva o si spostava a causa dell'interazione con il campo magnetico generato dal magnete. - Questo fenomeno dimostrava che un campo magnetico poteva agire su una corrente elettrica, producendo una forza sul conduttore. - Questo fu uno dei primi esperimenti a dimostrare che corrente elettrica e magnetismo sono strettamente legati, aprendo la strada alla formulazione delle leggi dell' elettromagnetismo.

L'ESPERIMENTO DELLA BATTERIA E DEL FILO DI RAME

- Faraday osservò che il filo di rame veniva spinto in una direzione perpendicolare sia alla corrente che al campo magnetico. - Questo fenomeno è la base per la formulazione della forza di Lorentz, che descrive come un campo magnetico agisce su una corrente elettrica. Legge della Forza (Forza di Lorentz): La forza F che agisce su un filo di corrente in un campo magnetico è data dalla formula: F= BxIxL Dove: - F è la forza che agisce sul filo. - I è l'intensità della corrente elettrica nel filo. - L è un vettore che rappresenta la direzione e la lunghezza del filo (dove scorre la corrente). - B è il vettore del campo magnetico. - il prodotto è vettoriale tra la direzione della corrente e quella del campo magnetico, il che implica che la forza F è perpendicolare sia alla corrente che al campo. Risultato chiave: - La forza magnetica agisce in una direzione perpendicolare sia alla corrente nel filo che alla direzione del campo magnetico. - Questo concetto ha gettato le basi per le future teorie dell'elettromagnetismo, culminando nelle equazioni di Maxwell.

La Forza Di Lorentz

Nel periodo in cui Ørsted scoprì che la corrente elettrica genera un campo magnetico, l'elettricità era un campo di grande interesse. Tuttavia, non esisteva ancora una teoria sistematica e quantitativa delle forze tra correnti elettriche. Ampère, che era già un professore di matematica e fisica a Parigi, fu immediatamente colpito dalla scoperta di Ørsted e iniziò a esplorare le implicazioni di questa nuova connessione tra corrente e magnetismo. L'idea che le correnti potessero interagire tramite campi magnetici era nuova, e Ampère sentiva il bisogno di formulare una legge che potesse spiegare quantitativamente queste interazioni. Fu un periodo di grande fermento scientifico, in cui i fisici cercavano di descrivere e quantificare le forze naturali, come la gravità e il magnetismo.

L'ESPERIMENTO DI AMPERE

lo strumento che permette di individuare la direzione del nord è la bussola, vediamo insieme com'è fatta, di quanti tipi ne esistono e quali sono i suoi utlizzi!

Bussola:

Uno dei fenomeni più importanti, conessi al mondo della fisica riguarda il Geomagnetismo e le sue applicazioni nella realtà. Ma andiamo ad analizzarle nel dettaglio

Geomagnetismo

All'inizio del XIX secolo, la fisica era dominata dal concetto di due forze fondamentali separate: l'elettricità e il magnetismo. L'elettricità era studiata da secoli attraverso fenomeni come le scariche elettriche, la luce e le reazioni chimiche causate dall'elettricità (come nelle batterie di Volta), mentre il magnetismo era associato a fenomeni osservati nei magneti naturali e nei compassi, che rispondevano al campo magnetico terrestre.Nel periodo in cui Ørsted compì la sua scoperta (circa 1820), la teoria dell'elettricità era stata relativamente ben sviluppata, in particolare con il lavoro di Luigi Galvani e Alessandro Volta, che avevano esplorato le proprietà elettriche e chimiche delle correnti. Tuttavia, il magnetismo non era considerato collegato all'elettricità. Ad esempio, nel contesto delle leggi di Isaac Newton, il magnetismo era visto come un fenomeno separato, basato su forze a distanza.

L'ESPERIMENTO DI Hans Christian Ørsted:

Nel periodo in cui Ampère stava sviluppando la sua teoria, il campo dell'elettromagnetismo era già emerso come un'area di grande interesse, ma c'era ancora molto da capire. Nonostante le scoperte di Ørsted e Ampère, la relazione tra magnetismo e elettricità non era ancora completamente compresa, in particolare in relazione alla possibilità che il magnetismo potesse produrre elettricità.Michael Faraday, un fisico autodidatta, stava conducendo esperimenti nel laboratorio della Royal Institution di Londra. Nel 1820, mentre Ørsted stava scoprendo l'influenza della corrente sul magnetismo, Faraday stava iniziando ad esplorare il concetto di "campo" e come i campi magnetici potessero interagire con la materia.

L'ESPERIMENTO DI FARADAY: