elettromagnetismo

Definizione

sm. [sec. XIX; da elettromagnete]. Parte della fisica che studia le relazioni tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici e, in particolare, gli effetti magnetici prodotti da una corrente elettrica, le azioni del campo magnetico su correnti elettriche e i fenomeni di induzione elettromagnetica.

Cenni storici

Le basi dell'elettromagnetismo vengono gettate agli inizi del sec. XIX. Ne è iniziatore il fisico danese H. C. Oersted che il 20 luglio del 1820 annunciava in una memoria il fondamentale esperimento che mostrava la deviazione dell'ago magnetico in presenza di un tratto rettilineo di circuito elettrico. Il risultato fece scalpore e i successivi studi di J. B. Biot e F. Savart misero in luce, fra l'altro, che la forza agente non è di tipo newtoniano e dipende dal verso della corrente. A questi studi si applicò contemporaneamente A. M. Ampère, il quale scoprì le azioni elettrodinamiche tra correnti elettriche (a lui si deve il termine di elettrodinamica per indicare questo settore della fisica), respinse la teoria che cercava di spiegare il risultato di Oersted, ammettendo che il circuito percorso da corrente si trasformi in un magnete, e propose invece di considerare il magnete come composto da una moltitudine di piccoli circuiti tutti paralleli tra loro e le cui correnti si muovono nello stesso verso. La verifica di questa geniale teoria portò Ampère a studiare vari tipi di circuiti tra cui i solenoidi. Si deve ad Ampère anche la formulazione matematica delle leggi relative alla forza che si esercita tra due elementi di corrente in funzione della loro intensità, distanza e posizione reciproca. Il rapporto elettricità-magnetismo costituisce il problema fondamentale nell'opera di M. Faraday che ha gettato le basi teoriche ed elaborato le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo: nel 1831 giunse, infatti, a scoprire il fenomeno dell'induzione elettromagnetica producendo correnti elettriche mediante variazioni di campi magnetici. Faraday spiegò il fenomeno introducendo il fondamentale concetto di “linee di forza”, linee di induzione magnetica che si generano come cerchi concentrici intorno a un filo metallico quando viene attraversato da correnti elettriche e che sono analoghe a quelle esistenti tra i due poli di un magnete naturale. Da ciò trasse la legge fondamentale sul verso della corrente indotta in dipendenza dalla variazione delle linee di forza concatenate col circuito, legge rielaborata e resa più rigorosa da E. Lenz. Dai lavori di Faraday prese le mosse J. C. Maxwell. Nel fondamentale Treatise on Electricity and Magnetism (1873; Trattato di elettricità e di magnetismo) formulò matematicamente il concetto di linea di forza, introdusse i concetti di campo elettromagnetico e di corrente di spostamento, fondò l'elettrodinamica dei dielettrici, che gli consentì poi una trattazione generale della polarizzazione, e condensò infine tutta la teoria in sei equazioni che collegavano in un unico edificio l'elettricità, il magnetismo e l'ottica. La concezione meccanicistica che dominava la fisica subì un colpo decisivo. H. Hertz, in seguito, verificò l'ipotesi di Maxwell e riuscì a produrre onde elettromagnetiche che, come la luce, potevano essere riflesse, rifratte e polarizzate, aprendo la via allo sviluppo delle radiotelecomunicazioni. Gli sviluppi successivi sono legati ai nomi di H. Poincaré, di H. A. Lorentz, di P. e M. Curie, di M. Planck, di A. Einstein, nei cui lavori l'elettromagnetismo confluisce totalmente nella nuova fisica atomica e nucleare.

Il campo elettromagnetico

La trattazione tematica e rigorosa dell'elettromagnetismo è basata sul concetto di campo elettromagnetico, le cui proprietà sono descritte dalle equazioni di equazioni di Maxwell, che comprende come casi particolari quello di campo elettrico e quello di campo magnetico. In particolare, il campo magnetico, caratterizzato dal vettore induzione magnetico B, prodotto dalla corrente elettrica che percorre un circuito, dipende dall'intensità della corrente e dalla forma del circuito e viene descritto dalla prima legge di Laplace, che assume una forma semplice in alcuni casi particolari: A) un conduttore rettilineo supposto di lunghezza infinita, percorso da una corrente di intensità i, genera un campo magnetico direttamente proporzionale all'intensità della corrente e inversamente proporzionale alla distanza R del punto considerato dal filo (legge di Biot e Savart): B=μi/2πR, in cui μ è una costante caratteristica del mezzo detta permeabilità magnetica. Le linee di induzione magnetica sono cerchi concentrici aventi i centri nei punti del conduttore e con il verso che si individua applicando la regola del cavatappi. B) All'interno di un filo avvolto a spira elicoidale (solenoide), supposto di lunghezza infinita e percorso da una corrente di intensità i, il campo magnetico è costante, è direttamente proporzionale all'intensità della corrente, al numero n di spire per unità di lunghezza (B=μni), ha direzione parallela all'asse del solenoide e verso individuato dalla direzione del pollice della mano destra, quando le altre dita formino con esso un angolo di 90º e indichino la direzione della corrente (regola della mano destra). Un conduttore percorso da corrente immerso in un campo magnetico è soggetto a forze meccaniche (vedi anche elettrodinamica), il cui valore dipende dal campo magnetico, dall'intensità della corrente, dalla forma del circuito e può essere calcolato con la seconda legge di Laplace, che in alcuni casi particolari assume un'espressione semplice. Per esempio, su un conduttore rettilineo di lunghezza l, percorso da una corrente di intensità i, disposto perpendicolarmente alla direzione di un campo magnetico costante, agisce una forza di intensità F=Bil, con direzione ortogonale al conduttore e alle linee del campo e con verso individuato dalla regola detta della mano sinistra: disponendo le prime tre dita della mano sinistra ad angolo retto in modo che l'indice sia diretto nel verso del campo magnetico e il medio nel verso della corrente, il pollice indica il verso della forza agente sul conduttore. Se il conduttore e il campo magnetico formano un angolo ϑ diverso da 90º, l'intensità della forza è F=Bil sin ϑ; la sua direzione è ancora perpendicolare alla corrente e al campo e il verso viene sempre individuato dalla regola precedente. La seconda legge di Laplace può essere dedotta dallo studio della forza di Lorentz, che determina la forza cui è soggetta una carica elettrica in un campo elettromagnetico. Dalla prima e dalla seconda legge di Laplace si ricava la legge di Ampère sulle azioni elettrodinamiche e il teorema di equivalenza di Ampère tra una spira percorsa da corrente di intensità i e un ago magnetico di momento m=μiS (S=superficie della spira), diretto perpendicolarmente al piano della spira e con verso dato dalla regola della mano destra. La produzione di correnti elettriche con campi magnetici riguarda il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in cui il campo elettromagnetico non può essere studiato analizzando separatamente il campo magnetico da quello elettrico.

Bibliografia

Per la storia della scienza

R. Becker, Teoria dell'elettricità, Firenze, 1950; E. Whittaker, A History of the Theories of Aether and Electricity, New York, 1951; B. I. Bleany, B. Bleany, Electricity and Magnetism, New York, 1957; J. e A. Agassi, Dialogo senza fine. Una storia della scienza dai Greci ad Einstein, Roma, 1989.

Per la fisica

M. Ageno, Elementi di fisica, Torino, 1960; P. S. S. C., Fisica, Bologna, 1963; Enciclopedia Feltrinelli Fischer, Milano, 1967; E. R. Caianello, A. De Luca, L. M. Ricciardi, Fisica, Milano, 1970; J. Orear, Fisica generale, Bologna, 1970; R. Resnick, D. Halliday, Fisica, Milano, 1970; L. Lovitch, S. Rosati, Problemi di fisica generale. Elettricità e magnetismo, Milano, 1981.