AZIONI ELETTRODINAMICHE
Sono così chiamate le forze che si esercitano fra conduttori
percorsi
da corrente, e anche fra magneti e conduttori.
Vediamo gli ingredienti che useremo: un magnete ad anello, fili mobili.
Questi magneti hanno i poli sulle facce piane opposte.
In questa foto un tratto di
filo rettilineo è sospeso sopra
il polo del magnete. Vediamo cosa accade quando si invia
una corrente nel filo.
(Cliccare sulla foto per vedere l'esperimento)
La forza che agisce sul filo è perpendicolare in questo
caso sia al filo
che al campo, quindi diretta o alla destra o alla sinistra dell'apparecchio,
come abbiamo visto. La forza con la quale un campo magnetico agisce
su un filo percorso da corrente si chiama "Forza di Ampere".
La forza elementare di Ampere dF che agisce su un elemento di conduttore
di lunghezza dl percorso dalla corrente I è data da I volte
il prodotto vettoriale dell'elemento di conduttore per il vettore
induzione magnetica:
dF = I . dl x B
(Le grandezze in grassetto sono vettori)
La seguente "Regola
della mano sinistra" fornisce il verso della
Forza di Ampere quando la corrente e il campo sono perpendicolari:
Qui abbiamo due motorini in corrente continua collegati
fra di loro.
Sono stati smontati da due lettori di CD-ROM di computer guasti.
(Per
vedere cosa succede cliccare qui o sulla foto)
Queste piccole macchine elettriche, che basano il loro
funzionamento
sui fenomeni visti sopra, sono di fatto perfettamente reversibili.
UN ALTRO ESPERIMENTO
(Per vedere cosa succede clicca sulla foto)
nel quale vediamo cosa accade quando una spira circolare
mobile,
posta di fronte ad un polo di un magnete cilindrico, è percorsa
da una corrente continua.
Che dovesse avvenire una traslazione era evidente. Ma
vediamo cosa
accade se la spira può ruotare liberamente attorno ad un asse verticale.
(Per vedere cosa accade cliccare sulla
foto)
Dunque la spira si comporta come l'ago magnetico di una
bussola.
Si può dimostrare (Ampère lo fece nel 1820, subito dopo
essere venuto a conoscenza della scoperta di Oersted) che
la spira è equivalente ad un dipolo magnetico che ha un momento
di modulo m = I.S, direzione perpendicolare al piano della
spira
e verso dato dalla "regola del cavatappi",
essendo I è l'intensità della
corrente e S la superficie della spira. Quindi se la spira può ruotare,
essa si orienterà nel campo portandosi con la sua normale
nella direzione del campo.
Vediamo per conferma un altro esperimento.
(Per vedere l'esperimento clicca sulla foto)
Nel quale il fatto che la spira equivalga ad un dipolo
dotato
di un certo momento è molto evidente. La corrente arriva alla
spira per mezzo di due trecciole ritorte di fili di rame finissimi
molto cedevoli alla torsione.
Un altro esperimento assai più delicato: al posto dell'ago
magnetico
del disco di Arago mettiamo la nostra spira percorsa da corrente.
(Per vedere l'esperimento clicca sulla foto)
Anche questo esperimento è piuttosto interessante!
AZIONI FRA CORRENTI PARALLELE
Questo è un dettaglio di un altro apparecchio che mostra
ciò
che succede quaqndo due conduttori paralleli sono percorsi da corrente.
L'apparecchio completo è visibile più sotto.
Il modo in cui sono fissati i due conduttori appare nella immagine qui sotto:
(Per
vedere cosa succede clicca sulla foto oppure qui...)
La forza magnetica di attrazione fra i due conduttori
è molto piccola.
Essa è data dall'espressione che compare in figura,
e vale sia per corrente continua che per corrente alternata.
Poiché m0 = 4p.10-7 H/m , si
può valutare che con una corrente di 10 A in due
conduttori paralleli distanti 1 cm,
per ogni tratto di lunghezza di 10 cm la
forza fra di essi è di 2 . 10-5
N , uguale a circa 2 mg.
Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), Olanda, grandissimo.
La deflessione dei Raggi Catodici nei televisori e nei
monitor
(con il display non a Cristalli Liquidi o al Plasma), negli oscilloscopi,
o di altre particelle cariche negli acceleratori è un effetto
formalizzato da Lorentz, così come la tensione di Hall nei solidi
conduttori nell'effetto che porta questo nome e molti altri fenomeni.
Questo è un tubo a Raggi Catodici. Un sottile pennello
di elettroni
viene focalizzato all'interno sullo schemo fluorescente, e produce
il punto luminoso verde visibile un po' sotto il centro.
(Per vedere cosa succede quando si avvicina un magnete,
cliccare sulla foto)
La deviazione degli elettroni è causata dalla Forza di Lorentz.
Ancora un esperimento: effetto di un campo magnetico
su due
conduttori paralleli percorsi da correnti concordi.
(Per vedere cosa succede quando si avvicina un magnete,
cliccare sulla foto)
Perché avvicinando il magnete in modo che i due poli opposti si affaccino
simmetricamente ai due conduttori, pur essendo le correnti concordi
i conduttori deflettono in direzioni opposte?
La Forza di Lorentz:
effetto di un campo magnetico su una carica
che si muove con velocità v:
Su una carica elettrica che si muove in un campo magnetico
agisce una forza,
detta "di Lorentz", data dall'espressione in figura, e perpendicolare al piano
della velocità e del campo.
In figura è riportato il verso della forza per una carica positiva; per una
carica negativa il verso è opposto.
Questo è il primo Magnetron,
storico reperto di laboratorio, tubo elettronico
generatore di microonde
coerenti di grande potenza, così come fu
creato nel 1940 da Randall e
Boot a Birmingham. In esso un campo magnetico assiale
costringe gli
elettroni emessi dal catodo a incurvarsi su orbite
circolari
e a cedere energia all'anodo sotto forma di intenso
segnale ad altissima
frequenza. E' proprio questo l'oggetto che fu
spedito in gran segreto
negli Stati Uniti affinché
venisse là prodotto industrialmente come cuore
del RADAR, apparecchio che
diede agli alleati un vantaggio tattico straordinario.
Il tubo di vetro è evidentemente quello per la vuotatura,
mentre
si vedono anche i tubi che costituiscono la camicia di
raffreddamento. Le due piastre quadrate venivano inserite
fra le espansioni polari di un grosso elettromagnete.
Questa è la forma che il magnetron
ha assunto attualmente per
l'uso nei forni a microonde domestici: fornisce tipicamente 800 W
continui alla frequenza di 2,45 GHz, lunghezza d'onda di 12,2 cm.
Il campo magnetico è creato dai due magneti ad anello che stanno
negli spazi ai lati dell'alettatura dell'anodo, coassiali con l'"antenna"
di uscita dell'energia a radiofrequenza, visibile sulla destra.
La Forza di Ampere
che abbiamo visto
nell'esperimento del conduttore che si muove sul magnete
è originata dalla Forza di
Lorentz che agisce sulle cariche
che si muovono dentro il
filo.
La
Regola del Cavatappi: il verso
è quello di avanzamento
di un cavatappi quando questo ruota nello stesso senso della corrente.
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(seguito...)