Campi elettrici, magnetici, il campo magnetico terrestre

Materie:Appunti
Categoria:Fisica

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Testo

Campi elettrici, campo magnetico terrestre:

1. Perché è utile conoscere la costante dielettrica relativa e la permeabilità
La forza d’interazione tra due cariche elettriche, ovvero la forza di Coulomb, e l’induzione magnetica, ovvero la forza che esercita il campo magnetico su di un corpo, non sono indipendenti dal mezzo in cui agiscono, anzi tali forze variano al variare del mezzo interposto tra i corpi stessi. Tale variazione è espressa proprio dalle costanti relative (l0 , 00), tipiche di ogni materiale.

2.Descrivere la polarizzazione per orientamento in elettrostatica e nel magnetismo.

La polarizzazione per orientamento in elettrostatica si riferisce all’orientamento dei dipoli elettrici (caratteristico di materiali formati da molecole polari) di un corpo immerso in un campo elettrico. Le particelle suddette cercheranno quindi di orientarsi ponendo la loro parte negativa verso la carica positiva che genera il campo e viceversa. Quindi macroscopicamente sulla superficie del corpo si avranno degli addensamenti di carica opposta su facce opposte.
Nel magnetismo invece ogni particella del corpo immerso nel campo magnetico si comporta come un piccolo dipolo, se questo corpo è di una sostanza diamagnetica o paramagnetica poiché l’elettrone che ruota sulla sua orbita intorno al nucleo si comporta come una carica che si muove in una spira, che quindi avrà una faccia Sud ed una Nord. A questo punto questi atomi si orienteranno ponendo la loro faccia Nord verso l’espansione polare Sud che genera il campo e viceversa. Per le sostanze ferromagnetiche non si può parlare di orientamento dei singoli atomi, ma in queste sostanze si può immaginare una divisione in “domini”, ovvero zone della sostanza in cui è presente già un orientamento. Quando il corpo è immerso in un campo magnetico i “domini” che sono orientati secondo il campo stesso si espandono.

3. Confrontare il teorema della circuitazione di Ampere per il campo magnetico, con il teorema di Gauss per il campo elettrico.
• Entrambe dipendono da una costante.
• Il flusso riguarda la sommatoria delle cariche interne alla superficie S, mentre la circuitazione di B riguarda la sommatoria delle correnti concatenate con il percorso considerato.
• Quando la carica è esterna alla superficie chiusa considerata, il flusso è zero; similmente quando la corrente non è concatenata al percorso la circuitazione è uguale a zero.

4. Cosa sono e quali proprietà caratterizzano le linee di forza in un campo vettoriale? Come si possono rappresentare più campi presenti nella stessa regione di spazio?
Le linee di forza sono linee la cui tangente in ogni punto ha la stessa direzione del campo in quel punto. Alle linee di forza si attribuisce il verso del campo. Le linee di forza nelle regioni di spazio in cui il campo è meno intenso si diradano (criterio di Faraday). Se in una regione di spazio sono presenti due campi si può considerare il vettore campo, risultante in ogni punto come la somma vettoriale dei vettori dei singoli campi.

5. Quali proprietà dei campi elettrici e dei campi magnetici possono essere interpretate in base alle caratteristiche geometriche delle linee di forza?
Per entrambi i campi vale il criterio di Faraday che afferma che il modulo di un campo è tanto più grande quanto più sono fitte le linee di forza di tale campo in una data regione. Inoltre, per entrambi i casi il vettore campo elettrico e il vettore campo magnetico avranno sempre direzione e verso tangenti alla linea di forza nel punto considerato.

6. Quali analogie esistono fra i comportamenti delle cariche elettriche e quelli dei poli magnetici? Quali comportamenti sono nettamente distinti nei due casi?
Le cariche elettriche possono essere negative o positive. I poli magnetici sono suddivisi in polo N e polo S. Per convenzione le linee di forza che rappresentano il campo generato dalla carica positiva sono uscenti dalla carica stessa, analogamente alle linee di forza che rappresentano il polo N magnetico. Invece le linee di forza che rappresentano il campo generato dalla carica negativa sono entranti come per il polo S magnetico. La grande differenza è che, mentre possono esistere cariche elettriche isolate, monopoli (positivi o negativi), al contrario i poli magnetici non sono divisibili, poiché in natura esistono solo dipoli magnetici . Le linee di forza generate da una carica elettrica sono aperte mentre quelle generate da un dipolo magnetico sono chiuse.

7.Elencare e spiegare le analogie e le differenze tra il campo elettrico, campo gravitazionale e campo magnetico.
CAMPO ELETTRICO
CAMPO GRAVITAZIONALE
CAMPO MAGNETICO
Sia la forza elettrica che quella gravitazionale dipendono dall’inverso del quadrato della distanza delle masse o delle cariche considerate, mentre il forza magnetica dipende solamente dall’inverso della distanza. Tutti dipendono dal prodotto delle cariche per quanto riguarda il campo elettrico, delle masse per il campo gravitazionale, delle correnti per il campo magnetico.

8. Parla del campo magnetico terrestre.
Il fatto che il polo Nord di un ago magnetico sia rivolto verso il Nord terrestre dimostra che la Terra stessa si comporta come un magnete, i cui poli Nord e Sud sono in prossimità rispettivamente del Sud e del Nord geografici. William Gilbert (1544-1603) costruì un magnete a forma di sfera, detto Terrella, osservò che un ago magnetico sulla superficie della Terra ha un comportamento analogo a quello di un ago magnetico sulla superficie della Terrella. L’orientazione di un ago magnetico determinata dalla Terra s’interpreta ammettendo che la Terra, come ogni magnete, genera nello spazio circostante un campo magnetico, detto campo magnetico terrestre. I poli magnetici sono spostati rispetto all’asse terrestre di circa 11°. Il piano verticale passante per l’asse di un ago magnetico, libero di ruotare intorno a un asse verticale, nella posizione di equilibrio forma col piano del meridiano terrestre, nel punto considerato, un angolo che prende il nome di declinazione magnetica. Inoltre un ago magnetico, libero di ruotare intorno ad un asse orizzontale, nella posizione di equilibrio, si dispone in modo che il suo asse formi col piano orizzontale un certo angolo, detto inclinazione magnetica. Gli angoli di declinazione e di inclinazione magnetica variano sia col tempo che con la posizione della superficie terrestre. Le variazioni più importanti sono le “inversioni” del campo magnetico scoperte studiando il magnetismo fossile (con periodicità irregolare il campo inverte la sua polarità). Le cause sono sconosciute, secondo alcune teorie il fenomeno è da ricondursi alle correnti di convezione, ma su come avvenga non esiste alcun dato.
Il fenomeno che dà origine al campo magnetico terrestre è ancora un mistero, ma sono state formulate diverse ipotesi:
• La prima sostiene che il nucleo ferroso si comporti come un’enorme calamita. Questa ipotesi è stata scartata poiché si è dimostrato sperimentalmente che una sostanza ad una temperatura caratteristica (punto di Curie, caratteristica di ogni sostanza) perde le sue caratteristiche magnetiche. La temperatura di Curie del ferro è 950 °C circa, molto inferiore alla temperatura che si ritiene abbia il nucleo.
• Un’altra ipotesi è quella che riconduce il fenomeno magnetico ad un movimento di cariche elettriche che generano un campo magnetico (effetto Oersted). Per fornire un flusso elettrico sufficiente a generare il campo geomagnetico, l’interno della terra dovrebbe avere una conducibilità elettrica alta come quella dei metalli e l’unica parte della terra che potrebbe forse avere una tale conducibilità elettrica è il nucleo. Il nucleo terrestre, quindi, oltre che come buon conduttore di corrente elettrica deve funzionare come generatore di corrente elettrica. Perché ciò si realizzi è necessario che il nucleo sia formato da un materiale che si lasci attraversare facilmente dalla corrente, come lo sono i metalli, che il materiale del nucleo sia allo stato liquido e che sia mantenuto in agitazione, perché è questo rimescolamento che crea l’energia per mantenere il campo.

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