Oggi impareremo qualcosa sui campi magnetici. Esaminiamo come accrescere il proprio campo magnetico. E discuteremo del perché essi esercitino attrazione.
Sì, bene. I campi magnetici attivano molta della tecnologia che noi diamo per scontata oggi. I sistemi di trasporto come il treno a livello made in Cina, il sistema di generazione di energia come la forza eolica e quella idroelettrica. Infatti, i campi magnetici riguardano pressoché ogni aspetto della nostra vita quotidiana e persino la tecnologia odierna e quelle di domani.
Ciao, io sono Dave Wilson, Specialista del Motion Product con Freescale Semiconductor e benvenuto in questa discussione su un aspetto molto eccitante dell’ingegneria e della scienza. Oggi daremo un sguardo ai campi magnetici e studieremo una parte della storia di campi magnetici, una parte della terminologia ed anche il funzionamento dei campi magnetici al fine di porre le basi per alcuni dei temi di cui ci occuperemo più avanti in questa serie di discussioni. Quindi mettiti a sedere e goditi la presentazione. Ma prima di cominciare, torniamo indietro con l’orologio a diverse migliaia di anni fa fino all’Antica Grecia.
I materiali magnetici furono per la prima volta documentati nella letteratura greca nel 600 A.C. infatti il termine magnete deriva dal nome magnesia che è una provincia della Grecia Centrale. Si scoprì che certe pietre di magnetite chiamate lodestones avevano un'abilità unica di attirare metallo. Ma non tutte le pietre di magnetite erano magnetiche. Quindi perché alcune pietre erano magnetiche ed altre no? La risposta ancora oggi è scioccante. Prendi una comune pietra di magnetite aggiungi una piccola scarica elettrica da parte di Madre Natura ed otterrai una lodestone magnetizzata. é dimostrato che le cariche elettriche dei fulmini sono sufficientemente forti da magnetizzare permanentemente la magnetite. Ma furono i Cinesi che per primi fecero buon uso di queste pietre magnetiche. La bussola è il primo strumento documentato nella storia ad utilizzare una scala davvero precisa. Il disegno di questa bussola a cucchiaio auto puntante risale alla dinastia Han quasi 200 anni AC. Il cucchiaio o mestolo è costituito da una lodestone magnetica e posizionato su un piatto di bronzo. Questo particolare tipo di bussola fu usato per determinare l’orientamento delle costruzioni ed i luoghi di sepoltura. In effetti straordinariamente non c’è nessuna testimonianza documentata dell’utilizzo della bussola per la navigazione fino a mille anni dopo.
Fino al 18º secolo la relazione tra magnetismo ed elettricità non era ben compresa. Ma tutto questo cambiò una sera di aprile, nel 1820 quando un fisico danese di nome Hans Christian Oersted stava tenendo una dimostrazione per alcuni studenti ed amici a casa sua. Mentre stava dimostrando l'effetto di riscaldamento della corrente attraverso un filo di platino, notò accidentalmente che l'ago di una bussola sulla sua scrivania si muoveva ogni volta che faceva passare la corrente od ogni qualvolta muoveva il filo vicino alla bussola. Non era capace di spiegare questo fenomeno. Quindi cominciò a studiare ulteriormente questo particolare effetto. Oersted pubblicò più tardi le sue scoperte che provavano che esisteva una casualità misurabile e prevedibile tra elettricità e magnetismo. Egli ipotizzò che la corrente nel filo generava in qualche modo un campo magnetico su se stesso che aveva l'effetto che faceva sulla bussola. La sua pubblicazione attirò l'attenzione di un altro fisico Andre Ampere che quantificò matematicamente questo effetto e presentò le sue scoperte nel settembre dello stesso anno. A pensarci deve essere stata un’epoca eccitante in cui vivere. La gara era ora capire e quantificare questa relazione misteriosa tra elettricità e magnetismo. Oersted ed Ampere già avevano stabilito che il magnetismo poteva essere generato dall'elettricità. Ma la vera domanda era anche l'elettricità poteva essere generata dal magnetismo?
Questa fu la questione che rese perplesso un fisico Londinese di nome Michael Faraday. Egli aveva provato in 4 occasioni diverse nel 1820 a generare l'elettricità dal magnetismo ma senza fortuna. Il 29 agosto 1831, Faraday finalmente ebbe l’opportunità che gli occorreva. Prese un anello di ferro come mostrato qui. Su un lato di esso avvolse una bobina di filo e lo collegò alla batteria. Sull'altro lato dell'anello avvolse una seconda bobina di filo. Fece poi passare la corrente sulla prima bobina e cercò segnali dello scorrere della corrente nella seconda bobina. Sfortunatamente non accadde nulla. Ma egli notò un effetto piuttosto impercettibile che non si aspettava. Ogni volta che collegava o scollegava la prima bobina alla batteria osservò un piccolo blip sul suo galvanometro che era collegato alla seconda bobina. Nel corso dei mesi successivi Faraday ritornò sullo strano fenomeno ogni qualvolta ne aveva la possibilità e tentò di capire quello che stava succedendo. Egli concluse più tardi che la corrente poteva essere indotta a fluire nella seconda bobina ogni volta che il campo magnetico nell'anello di ferro veniva cambiato. Ciò condusse in seguito alla relazione che noi oggi conosciamo come la legge di Faraday e noi la approfondiremo in questa discussione.
Faraday aveva sottovalutato il valore di questa eccezionale scoperta? Questo era infatti il pezzo mancante. Gli uomini ora potevano costruire possenti macchine elettriche che più tardi avrebbero condotto alla rivoluzione industriale. Quindi la prossima volta che farai un passo per te insignificante nel tuo progetto pensa a Michel Faraday ed al suo piccolo esperimento. Chissà la prossima grande scoperta riguardante l’universo potrebbe portare il tuo nome.
Infatti fu Faraday il primo ad ipotizzare che i campi magnetici esistono come linee di forza che oggi conosciamo come flusso magnetico. Essenzialmente più potente è il magnete, maggiore sarà il flusso. Ma l’onore di determinare la quantità di flusso si deve ad un fisico tedesco Wilhelm Weber. Noi pensiamo convenzionalmente al flusso che parte dal Polo Nord e rientra dal Polo Sud di un magnete come mostra questo diagramma. Se noi misuriamo quanto flusso attraversa un'area di superficie che è perpendicolare al percorso di flusso, allora noi abbiamo la misura della densità di flusso in quel particolare punto nello spazio. Un Weber di flusso che attraversa un metro quadrato di area costituisce una densità di flusso di un Tesla dal nome dell'ingegnere serbo Nicola Tesla che è anche l'inventore del motore ad induzione di Corrente Alternata.
Ritornando all'esperimento di Oersted della bussola, se il campo magnetico generato da un filo conduttore può esercitare solamente una forza su una bussola magnetica allora si può affermare che un magnete stazionario può esercitare anche una forza su un filo conduttore. Qui abbiamo un filo che conduce corrente nella direzione mostrata ed è sospeso su un campo magnetico. Possiamo determinare in che direzione la forza agirà sul filo usando quella che viene chiamata la regola della mano destra. Prova da solo. Se indichi la direzione del campo magnetico col tuo dito indice, e contemporaneamente indichi la direzione del flusso di corrente nel filo col tuo pollice, il tuo dito medio indicherà la direzione della forza sul filo. Allora, prova. Usa il seguente diagramma, usa la mano destra la cui direzione sarà modificata dal filo. è su, si capovolge. Non distinguo destra e sisnistra. Cosa pensi che sia? Se hai risposto giu, hai indovinato.
Quindi sfruttiamo ciò che abbiamo appena imparato e vediamo come possiamo usare questo effetto per ruotare realmente un oggetto. Qui vediamo la sezione trasversale di un corpo cilindrico con 2 conduttori che vanno in giù ai lati opposti alla sinistra del cilindro. La corrente nel conduttore di destra sta fluendo nella pagina e la corrente nel conduttore sinistro sta uscendo dalla pagina. Se noi applichiamo separatamente la regola della mano destra su ambo i conduttori, notiamo che il conduttore sulla sinistra genera una forza a sinistra ma il conduttore sulla destra genererà una forza a destra. Le forze su ogni filo agiscono attraverso un raggio R sulla struttura del cilindro per creare una forza rotatoria destrorsa. In questo caso, la forza creata è proporzionale al segno dell’angolo Alfa il che significa che sarà maggiore quando il piano contenente i due fili è completamente verticale. Comunque, una volta ruotato il cilindro così che il piano sarà orizzontale, la forza andrà ad azzerarsi fino a che il segno di zero sarà zero. Se il cilindro continua a ruotare, così che il piano sarà mezzo orizzontale, la forza diverrà negativa, o, di contro, avrà senso orario poiché il segno di un angolo negativo dà luogo ad un numero negativo. Quindi, noi possiamo vedere qui che i fili eserciteranno una forza sul cilindro per metterlo in una precisa posizione angolare dove il piano contenente i fili sarà orizzontale. Se si desidera una ulteriore rotazione, si deve far passare la corrente su una nuova coppia di fili che hanno un angolo diverso che dai primi due. Ci occuperemo ancora di questo effetto quando studieremo i motori DC nella discussione successiva.
