Campo magnetico e forza di Lorentz

Campo magnetico terrestre

La Terra produce un campo magnetico simile a quello di una grande calamita a sbarra posta al suo interno. L’ago di una bussola indica il nord geografico perché il suo polo nord è attratto da un polo sud magnetico; perciò vicino al polo nord geografico si trova il polo sud magnetico della Terra. L’asse magnetico è inclinato di circa $10^{\circ }$ rispetto all’asse di rotazione, quindi la bussola indica il nord geografico solo in modo approssimato.

Sulla superficie terrestre il campo ha modulo compreso tra circa $2,5\cdot 10^{-5}\mathrm{T}$ e $6,5\cdot 10^{-5}\mathrm{T}$, dove $\mathrm{T}$ è il simbolo del tesla, l’unità di misura del campo magnetico. In Italia il campo vale circa $4,5\cdot 10^{-5}\mathrm{T}$ e non è orizzontale. Esso punta verso nord e verso il basso, e forma con il piano orizzontale un angolo detto inclinazione magnetica, di circa $55^{\circ }$. La bussola si orienta lungo la componente orizzontale del campo, perché il suo ago ruota solo in un piano orizzontale.

Vettori perpendicolari al foglio

Nei disegni piani un vettore perpendicolare al foglio si rappresenta con un simbolo. Il simbolo $\otimes$ indica un vettore entrante nel foglio e rappresenta la coda di una freccia che si allontana da chi guarda; il simbolo $\odot$ indica un vettore uscente e rappresenta la punta di una freccia che si avvicina. Gli stessi simboli si usano per una corrente che entra o esce dal foglio. Un campo magnetico uniforme entrante si disegna perciò come una griglia regolare di simboli $\otimes$, tutti uguali, perché il campo ha lo stesso modulo, la stessa direzione e lo stesso verso in ogni punto.

Esperienza di Oersted

Nel 1820 Oersted dispose un filo rettilineo sopra un ago magnetico, parallelo all’ago. Quando nel filo passa corrente, l’ago ruota e tende a disporsi perpendicolarmente al filo; se si inverte il verso della corrente, l’ago ruota nel verso opposto; quando la corrente si interrompe, l’ago torna nella direzione nord-sud. Da questa esperienza si conclude che una corrente elettrica produce un campo magnetico. Il campo prodotto dalle correnti si studia nell’argomento sulle sorgenti del campo magnetico.

Esperienza di Faraday

Nel 1821 Faraday osservò l’effetto inverso. Un filo percorso da corrente, libero di muoversi vicino a un magnete, subisce una forza; nel suo apparecchio il filo ruotava con continuità attorno al polo di una calamita. Un filo teso tra i poli di una calamita a ferro di cavallo viene spinto fuori dalla calamita o verso il suo interno, secondo il verso della corrente. Da questa esperienza si conclude che un campo magnetico esercita una forza su un filo percorso da corrente. Su questa forza si basano la definizione operativa del campo magnetico e il motore elettrico.

Esperienza di Ampère

Sempre nel 1820 Ampère studiò due fili rettilinei paralleli, vicini, percorsi da corrente. I fili si attraggono se le correnti hanno lo stesso verso e si respingono se le correnti hanno versi opposti; se in uno dei due fili non passa corrente, non c’è alcuna forza. Da questa esperienza si conclude che due correnti interagiscono tra loro anche in assenza di magneti, perché ciascuna produce un campo magnetico che agisce sull’altra.

Le tre esperienze mostrano che i fenomeni magnetici sono legati alle cariche elettriche in moto. Ampère ipotizzò che anche il campo di una calamita sia prodotto da correnti, che circolano all’interno della materia su scala microscopica. La forza tra due fili paralleli si calcola nell’argomento sulle sorgenti del campo magnetico, dove serve a definire l’ampere.