Campo magnetico — sorgenti, proprietà e regola della mano destra

Un campo magnetico descrive come magneti, cariche in movimento e correnti elettriche influenzano altre cariche in movimento e materiali magnetici nello spazio circostante. Si indica con $B$ e si misura in tesla $(\mathrm{T})$.

L’idea principale riguarda la direzione. Un campo magnetico è un campo vettoriale, quindi in ogni punto ha sia un’intensità sia una direzione. La regola della mano destra è il metodo più comune per trovare quella direzione nei casi semplici.

Che cosa significa campo magnetico

Puoi pensare a un campo magnetico come alla parte dell’ambiente elettromagnetico che ti dice come verrebbe spinta una carica in movimento o un filo percorso da corrente.

Per una carica $q$ che si muove con velocità $v$ formando un angolo $\theta$ con il campo, il modulo della forza magnetica è

$$F = qvB\sin\theta$$

Questa condizione è importante. Se la carica non si muove, la parte magnetica della forza è nulla. Se si muove esattamente in direzione parallela o antiparallela al campo, allora $\sin\theta = 0$ e anche la forza magnetica è nulla.

Da dove provengono i campi magnetici

Nella fisica introduttiva, le sorgenti più comuni sono le correnti elettriche, le cariche in movimento e i magneti permanenti. Una bobina percorsa da corrente crea un campo magnetico, e lo stesso vale per una calamita a barra.

Nell’elettromagnetismo completo, anche un campo elettrico variabile può produrre un campo magnetico. Questo è importante nelle onde elettromagnetiche, nei trasformatori e nelle equazioni di Maxwell, ma molti primi esercizi si concentrano su correnti e magneti semplici.

Proprietà chiave da ricordare

Il campo magnetico è un vettore, quindi la direzione fa parte della risposta, non è un dettaglio in più.

I campi magnetici si sommano per sovrapposizione. Se due sorgenti creano campi nello stesso punto, il campo risultante è la somma vettoriale di quei campi.

Le linee di campo sono un aiuto visivo, non fili fisici. In ogni punto, la direzione del campo è tangente alla linea di campo.

Nel trattamento introduttivo standard, le linee di campo magnetico formano circuiti chiusi invece di iniziare e terminare come fanno le linee di campo elettrico sulle cariche.

La regola della mano destra per una corrente rettilinea

Per un filo rettilineo percorso da corrente convenzionale, punta il pollice della mano destra nella direzione della corrente. Le dita che si chiudono attorno al filo mostrano la direzione del campo magnetico che lo circonda.

Questa è una delle versioni più utili della regola della mano destra perché permette di trovare rapidamente la direzione senza algebra aggiuntiva.

Fai attenzione alla definizione di corrente. La regola usa la corrente convenzionale, che punta nella direzione in cui si muoverebbe una carica positiva. In un filo metallico, gli elettroni si muovono lentamente nella direzione opposta.

Esempio svolto: campo attorno a un lungo filo rettilineo

Supponi che un lungo filo rettilineo trasporti una corrente costante verso l’alto. Vuoi determinare la direzione del campo magnetico in un punto alla destra del filo.

Usa la regola della mano destra. Punta il pollice della mano destra verso l’alto, nel verso della corrente. Le dita si chiudono attorno al filo. Nel punto alla destra del filo, il campo è diretto verso l’interno della pagina.

Se ti serve anche l’intensità del campo, una formula comune in un caso particolare è

$$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$$

Questa formula vale per un lungo filo rettilineo percorso da corrente costante, valutata a distanza $r$, nel vuoto o in aria con buona approssimazione. Qui $\mu_0$ è la permeabilità del vuoto.

Per esempio, se $I = 5.0\ \mathrm{A}$ e $r = 0.020\ \mathrm{m}$, allora

$$B = \frac{(4\pi \times 10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.020)}$$ $$B = 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{T}$$

Quindi il campo in quel punto ha modulo $5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{T}$ e direzione verso l’interno della pagina.

Questo esempio mostra le due parti di una risposta sul campo magnetico: il modulo dalla formula, la direzione dalla regola della mano destra.

Errori comuni

• Trattare il campo magnetico come uno scalare e indicare solo il modulo.
• Dimenticare che la regola della mano destra usa la corrente convenzionale, non il flusso di elettroni.
• Usare $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ per qualsiasi forma di filo, anche quando il filo non è approssimativamente lungo e rettilineo.
• Supporre che un campo magnetico spinga sempre una carica. Una carica ferma non sente alcuna forza magnetica.
• Confondere la direzione del campo con la direzione della forza su una carica in movimento.

Dove si usa questo concetto

I campi magnetici si usano in motori, generatori, trasformatori, sistemi di risonanza magnetica, altoparlanti, bussole e nel moto delle particelle cariche.

Sono anche alla base di molte idee sui circuiti e sull’elettromagnetismo. Una volta che la corrente crea un campo magnetico, puoi spiegare induttori, elettromagneti e perché i campi variabili sono importanti nell’induzione elettromagnetica.

Prova un caso simile

Prova una tua versione con lo stesso filo, ma mettendo il punto a sinistra del filo invece che a destra. Mantieni la stessa corrente e la stessa distanza. Prima usa la regola della mano destra per trovare la direzione, poi controlla se il modulo cambia.