Campo magnetico

Il campo magnetico trasmette le forze di un magnete. È un campo di energia elettromagnetica. L'intensità del campo magnetico indica quindi la forza di un magnete. Poiché la quantità di energia magnetica è descritta dal prodotto dell'energia, in cui l'intensità del campo magnetico è al quadrato, un magnete con un'intensità di campo magnetico doppia ha un effetto di forza quattro volte superiore rispetto a un magnete con un'intensità di campo singola.

Visualizzare i campi magnetici utilizzando le linee di campo

Il campo magnetico è spesso simboleggiato da linee di campo. Queste linee di campo diventano visibili quando si cosparge di polvere di ferro un foglio di carta con sotto un magnete. In questo caso, le particelle di ferro si dispongono parallelamente alle linee di campo e visualizzano il campo magnetico.

Le linee del campo magnetico sono sempre chiuse, vanno per definizione dal polo nord al polo sud di un magnete e sono perpendicolari alla superficie del magnete. In linea di principio, le cariche in movimento causano campi magnetici. Anche un filo che trasporta corrente provoca quindi un campo magnetico.

Il campo magnetico è un campo di dipolo puro. Ciò significa che non esistono cariche magnetiche che possano essere intese come un unico polo, ma solo magneti con un polo nord e un polo sud. Si può dimostrare matematicamente che per questo motivo le linee di campo sono sempre chiuse. Esse vanno dal polo nord al polo sud e di nuovo al polo nord del magnete.

Le equazioni di Maxwell per la descrizione dei campi magnetici

Il campo magnetico è descritto dalle equazioni di Maxwell . Le equazioni di Maxwell indicano la densità delle linee del campo magnetico per una data distribuzione di corrente e la direzione delle linee del campo magnetico. Le equazioni di Maxwell possono quindi essere utilizzate per calcolare quanto è forte un campo magnetico per determinate correnti e in quali direzioni agiscono le forze magnetiche. Non esistono sorgenti del campo magnetico, mentre le cariche elettriche sono le sorgenti del campo elettrico. Ciò si manifesta nel fatto che le linee di campo "escono" dalle cariche o "entrano" in esse. Non ci sono sorgenti del campo magnetico. Tuttavia, la variazione dei campi elettrici e delle correnti provoca vortici magnetici. Il campo magnetico è quindi un campo di vortici puri.

Se si sovrappongono molti piccoli magneti, l'intensità del campo magnetico totale misurabile è pari alla somma di tutti i campi magnetici dei piccoli magneti. Questo principio è chiamato principio di sovrapposizione. Dal principio di sovrapposizione si deduce che molte minuscole correnti anulari microscopiche in un materiale, ognuna delle quali porta a un magnete elementare, causano insieme una magnetizzazione misurabile, cioè un campo magnetico percepibile, se tutti i magneti elementari sono allineati in modo uniforme. Se invece i magneti elementari sono orientati in modo casuale, non è possibile misurare esternamente alcun campo magnetico.

Calcolo dei campi magnetici

Contrariamente a quanto si crede, in fisica il campo magnetico non è abbreviato con la lettera B che indica la densità di flusso magnetico e non si misura con le unità di misura Tesla o Gauss come questo campo B. Il campo magnetico viene invece abbreviato con la lettera H e misurato in ampere per metro.

Si applica la seguente relazione:

\( H = \frac{1}{\mu\mu_0}\cdot {B}\)
Dove μ è la permeabilità magnetica del materiale che viene riempito dal campo magnetico. μ₀ è la costante di permeabilità magnetica del vuoto. Per il vuoto e approssimativamente per l'aria, μ=1. Per il ferro, invece, μ può assumere valori fino a diverse migliaia.

La densità di flusso magnetico di una bobina portatrice di corrente è amplificata di un fattore μ se la bobina contiene un materiale con una permeabilità magnetica pari a μ. La densità di flusso magnetico non ha né sorgenti né pozzi. Pertanto, penetra dal ferro nello spazio aereo senza cambiare la sua grandezza. Provoca un campo magnetico di dimensioni corrispondenti nello spazio aereo. I campi magnetici sono quindi amplificati dal contatto con materiali ferromagnetici.

È possibile pensarlo come un campo magnetico in un materiale ferromagnetico che allinea i momenti magnetici microscopici presenti in parallelo, causando così una densità di flusso magnetico. Questa densità di flusso magnetico può essere molto più forte (di un fattore μ) della densità di flusso magnetico che ha originariamente allineato i numerosi magneti elementari.

La dipendenza quadratica delle forze magnetiche dall'intensità del campo magnetico può essere visualizzata. Quando il ferro è magnetizzato nel campo di un ipotetico magnete "M4" con un'intensità di campo doppia rispetto a un altro magnete "M1", anche il ferro è magnetizzato con una forza doppia. Il ferro, a sua volta magnetizzato con forza doppia nel campo di M4 (rispetto a M1), è ora attratto con forza doppia per unità di magnetizzazione dal magnete M4 (rispetto a M1). L'effetto totale della forza magnetica e anche la quantità totale di energia magnetica nel magnete M4 è quindi quattro volte maggiore rispetto a M1. L'effetto di forza e il prodotto energetico aumentano quadraticamente con la densità di flusso magnetico o il campo magnetico.