Campi magnetici

I campi magnetici sono fondamentali per l'elettromagnetismo e sono alla base di molte applicazioni pratiche che vanno dalle bussole alla risonanza magnetica.

I campi magnetici o campi B possono essere generati da cariche in movimento, come una corrente elettrica, o oggetti come i magneti a barra a causa della dinamica microscopica delle cariche all'interno del materiale magnetico.

Questo video illustra come visualizzare i campi magnetici prodotti da un conduttore che trasporta corrente e da un magnete a barra permanente. Inoltre, questo video dimostrerà anche la forza esercitata dai campi magnetici prodotti da una corrente su un altro filo che trasporta corrente.

I campi magnetici possono essere visualizzati utilizzando le linee del campo magnetico. Si tratta di linee fittizie che aiutano a comprendere la distribuzione e la direzione dei campi magnetici.

La tangente di una linea del campo magnetico riflette la direzione locale del campo magnetico e la densità delle linee rispecchia l'intensità del campo magnetico locale, che nel caso di una barra magnetica diminuisce man mano che ci allontaniamo dalla sua superficie. Diverse configurazioni dei conduttori di corrente producono diverse variazioni nelle distribuzioni dei campi magnetici.

Ad esempio, un lungo filo rettilineo che trasporta una corrente elettrica produce un campo magnetico, la cui direzione, rappresentata da "linee del campo magnetico", è lungo la direzione tangente circolare attorno al filo.

Nel caso di una barra magnetica, le linee del campo magnetico lasciano il polo nord del magnete ed entrano nel polo sud del magnete. Questo è simile al modello di campo magnetico prodotto da un solenoide, che è una bobina cilindrica di filo che trasporta corrente.

La direzione del campo magnetico prodotto da una corrente può essere determinata dalla "regola della mano destra". La regola afferma che se il pollice punta lungo la direzione della corrente, le dita che si arricciano attorno al conduttore indicano la direzione del campo magnetico. Pertanto, una barra magnetica, quando viene avvicinata al conduttore, si allinea con il campo magnetico locale generato.

Ora sappiamo che i campi magnetici, prodotti da qualsiasi conduttore o magnete, interagiscono con i materiali magnetici vicini. Inoltre, i campi magnetici generati interagiscono anche con le cariche elettriche in movimento, come quelle che si trovano in un secondo conduttore che trasporta corrente.

Quando una carica mobile 'q' viene introdotta in un campo magnetico 'B', il campo esercita una forza 'F' sulla carica. Questa è chiamata forza di Lorentz. La forza è proporzionale al campo magnetico 'B', alla carica 'q' e alla sua velocità 'v', ed è determinata dal prodotto vettoriale della velocità della carica e del campo magnetico, moltiplicato per la carica. La forza punta quindi in una direzione perpendicolare sia al moto della carica che al campo magnetico determinato dalla "regola del pollice della mano destra".

Dopo aver esaminato le basi dei campi magnetici, eseguiamo un semplice esperimento per visualizzare queste linee del campo magnetico e dimostrare come la forza di Lorentz esercitata da un campo magnetico generato influenzi un filo parallelo che trasporta corrente.

Raccogli i materiali e gli strumenti necessari, vale a dire una sorgente di corrente CC, una scheda di plastica montata con diversi aghi della bussola e un filo conduttore dritto che passa attraverso il suo centro e un magnete a barra permanente.

Osserva la tavola di plastica con un foro al centro. È montato con diversi aghi della bussola attorno al foro centrale utilizzando perni, in modo che gli aghi siano liberi di ruotare.

Si noti inoltre che il filo conduttore viene fatto passare attraverso il foro centrale della scheda. Assicurarsi che il filo sia perpendicolare alla scheda. Collegare il filo all'alimentazione di corrente continua utilizzando cavi con clamps.

Accendere la sorgente di corrente e impostare l'alimentazione di corrente su +5 ampere. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.

Quindi, spegnere l'alimentatore e commutare i cavi positivo e negativo. Quindi, accendere l'alimentatore per invertire la direzione della corrente che scorre attraverso il filo e osservare nuovamente gli aghi della bussola.

Ora spegnere e scollegare l'alimentazione di corrente e procurarsi una scheda di plastica simile montata con aghi magnetici, ma senza il filo conduttore che la attraversa. Quindi, identifica il polo nord della barra magnetica.

Con l'asse lungo della barra magnetica parallela alla scheda, avvicinare lateralmente il polo nord alla scheda. Osservare gli aghi della bussola per qualsiasi cambiamento di orientamento.

Ora capovolgi la barra magnetica in modo che il polo sud sia più vicino alla tavola. Ancora una volta, osservare gli aghi della bussola per qualsiasi cambiamento di orientamento.

Per prima cosa assembla un telaio con due barre, una delle quali è orizzontale che corre lungo la parte superiore del telaio e l'altra è verticale che collega la base alla prima barra. Quindi, ancorare o fissare con nastro adesivo la sezione centrale dei due lunghi fili conduttori al telaio. Far penzolare un'estremità di entrambi i fili dal telaio in modo che i due fili siano paralleli tra loro.

Ora, collega l'estremità dei due fili all'interruttore e ai terminali. Quindi collegare l'impianto a una batteria.

Assicurarsi che i fili siano collegati in modo tale che la corrente scorra nella stessa direzione in entrambi i fili. Quindi, capovolgere l'interruttore per collegare la batteria ai cavi conduttori.

Osservare i due fili quando la corrente li attraversa. Quindi, spegnere l'interruttore per interrompere il flusso di corrente attraverso i fili.

Invertire la direzione dell'interruttore per cambiare la direzione del flusso di corrente attraverso i fili. Osservare i due fili quando la corrente è ON.

Ora dopo aver esaminato i protocolli, passiamo in rassegna i risultati degli esperimenti eseguiti.

Nell'esperimento con gli aghi della bussola, inizialmente, gli aghi sono orientati in modo casuale. All'applicazione della corrente, gli aghi della bussola si allineano con il campo magnetico locale in uno schema circolare.

Invertendo la direzione della corrente, il campo magnetico locale si inverte, il che a sua volta inverte l'orientamento degli aghi della bussola.

Allo stesso modo, quando il polo nord della barra magnetica viene avvicinato agli aghi della bussola, crea un campo magnetico locale e gli aghi della bussola si allineano lungo queste linee del campo magnetico locale.

E quando la barra magnetica viene capovolta, anche la direzione del campo magnetico si inverte, invertendo l'orientamento degli aghi della bussola.

Nell'esperimento con i due fili lunghi, i fili sono attratti l'uno dall'altro quando la corrente che scorre in essi ha la stessa direzione. Ciò è dovuto alla forza di Lorentz generata dal campo magnetico.

Secondo la regola della mano destra, il filo sinistro produce un campo magnetico, che punta nella direzione perpendicolare al flusso di corrente nel sito del filo destro. Ora, usa l'altra regola della mano destra e posiziona le dita lungo la direzione della corrente e dei campi magnetici. Quindi il pollice esteso dà la direzione della forza di Lorentz. In questo caso, la forza è verso il filo sinistro e quindi attraente.

D'altra parte, quando il flusso di corrente nei due fili è in direzioni opposte l'uno all'altro, la regola della mano destra mostra che la direzione della forza di Lorentz nel sito del filo destro è lontana dal filo sinistro, rendendo la forza repulsiva. Pertanto, i due fili vengono allontanati.

I campi magnetici si trovano ovunque intorno a noi e sono attualmente utilizzati in applicazioni che vanno dalla navigazione all'ambiente clinico. Diamo ora un'occhiata a un paio di applicazioni comuni dei campi magnetici.

Secoli fa, la dinastia Song della Cina inventò la prima bussola magnetica che veniva utilizzata per la navigazione. Da allora ci siamo affidati alla bussola, che lavora in tandem con il campo magnetico terrestre, per la direzione.

Il polo sud magnetico della terra si trova vicino al suo polo nord geografico. Pertanto, il polo nord magnetico di un ago della bussola si allinea al campo magnetico terrestre e punta verso il nord geografico della terra.

I campi magnetici hanno anche una moltitudine di applicazioni nel campo della medicina e della diagnostica medica. L'uso più comune dei campi magnetici è la risonanza magnetica o la risonanza magnetica. Gli scanner MRI utilizzano forti campi magnetici e gradienti di campo per generare immagini dell'interno del corpo.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai campi magnetici. Ora dovresti sapere come visualizzare i campi magnetici usando gli aghi della bussola e capire come la forza di Lorentz di un campo magnetico prodotto da una corrente influisce su un'altra corrente quasi parallela. Grazie per l'attenzione!