Elettromagneti

Una bobina con 200 spire in 10 cm, percorsa da 2 A, produce all'interno un campo di circa 5 mT, pari a circa 100 volte quello terrestre.

La corrente genera un campo magnetico

Nel 1820 lo scienziato danese Hans Christian Oersted osservò che l'ago di una bussola si muoveva quando passava corrente in un filo vicino. Fu il primo chiaro indizio del legame tra elettricità e magnetismo. Esplorando con le bussole il campo attorno a un filo rettilineo lungo, si scopre che le linee sono circonferenze attorno al filo. Il loro verso segue quella che OpenStax chiama regola della mano destra 2: punta il pollice destro nel verso della corrente e le altre dita si curvano nel verso del campo.

L'intensità diminuisce con la distanza: B = μ₀ I ÷ (2π r), dove r è la distanza dal filo. La costante μ₀ è la permeabilità magnetica del vuoto. Nei libri di testo vale 4π × 10⁻⁷ T·m/A; il valore attuale del NIST è 1.25663706127 × 10⁻⁶ N/A², in accordo con quello scolastico a meno di una parte per miliardo. OpenStax chiede quale corrente produca un campo doppio di quello terrestre, pari a 1.0 × 10⁻⁴ T, a 5.0 cm da un filo. La risposta è I = 2π r B ÷ μ₀ = 25 A. I topografi conoscono bene questo effetto: le linee elettriche aeree possono falsare le letture della bussola.

Le bobine producono campi intensi e uniformi

Piega il filo a formare una spira: al centro si sommano i campi prodotti da ogni suo tratto. Avvolgi molte spire in una bobina lunga, un solenoide: all'interno il campo diventa intenso e quasi uniforme, mentre subito all'esterno delle spire è prossimo a zero. Dentro un solenoide lungo, B = μ₀ n I, dove n è il numero di spire per metro, N ÷ L. Più spire nella stessa lunghezza, oppure più corrente, producono un campo più intenso. All'esterno, il campo del solenoide ha la stessa forma di quello di una calamita a barra, con un'estremità nord e una sud.

Quale estremità è il nord? Avvolgi le dita della mano destra attorno alla bobina nel verso della corrente nelle spire: il pollice indica l'estremità nord. Invertendo la corrente, i poli si scambiano. La bobina del laboratorio è lunga 10 cm. Con 200 spire e 2 A, n = 2000 per metro e B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ T, circa 5 mT, cioè circa 100 volte i 50 μT usati per il campo terrestre. L'esempio su grande scala di OpenStax è un solenoide lungo 2.00 m con 2000 spire percorse da 1600 A: n = 1000 per metro e B = 2.01 T, l'intensità di un magnete per risonanza magnetica. Una corrente simile surriscalderebbe il rame comune: ecco perché questi apparecchi usano bobine superconduttrici.

Nuclei di ferro e usi degli elettromagneti

Inserisci un nucleo di ferro nella bobina: il campo della corrente allinea i domini del ferro, che diventa a sua volta un magnete e aggiunge il proprio campo a quello della bobina. Quando servono effetti magnetici intensi, si dotano gli elettromagneti di nuclei ferromagnetici. A differenza di un magnete permanente, un elettromagnete può essere spento, intensificato o invertito. Le gru degli sfasciacarrozze sollevano automobili con gli elettromagneti e le rilasciano interrompendo la corrente. Gli acceleratori di particelle li usano per guidare i fasci; gli apparecchi per risonanza magnetica ospitano il paziente dentro una grande bobina superconduttrice. La resistenza della bobina impone un limite: troppa corrente surriscalda il filo.