Come funzionano i campi magnetici: poli, linee di campo e bussole

I poli e le due semplici regole

Ogni magnete comune ha due estremità, dove l'attrazione è più forte. Le chiamiamo polo nord e polo sud. Taglia un magnete a barra a metà e non ottieni un pezzo con il nord e uno con il sud. Ottieni due magneti più piccoli, ciascuno con la propria coppia di poli.

Le forze tra i poli seguono una regola semplice: i poli uguali si respingono e i poli diversi si attraggono. Due estremità nord si allontanano, due estremità sud si allontanano e un'estremità nord viene attirata verso un'estremità sud.

Ecco perché un magnete può sia attrarre sia respingere, cosa che la gravità non fa mai. Questo spiega anche perché i poli si presentano sempre in coppia: un magnete è un dipolo.

Che cos'è un campo magnetico

Un magnete modifica lo spazio che lo circonda. In ogni punto c'è un campo magnetico, indicato con B, che ha sia una resistenza sia una direzione. Lo misuriamo in tesla (T). Vicino alla sua superficie, un magnete da frigorifero produce alcuni millesimi di tesla. Il campo terrestre al suolo è di appena circa cinquanta milionesimi di tesla.

Un altro magnete o un pezzo di ferro collocato in quello spazio subisce una forza a causa del campo presente in quel punto. Il campo è ciò che trasmette l'interazione attraverso lo spazio tra i due oggetti. È un'idea più potente di «i magneti si attraggono», perché funziona anche quando rimuovi il secondo magnete: il campo è ancora lì.

Come leggere le linee del campo

Non possiamo vedere un campo, quindi tracciamo le linee di campo. Alcune regole le rendono facili da leggere:

• la retta in ogni punto mostra la direzione in cui punta il campo,
• le linee escono dal polo nord ed entrano nel polo sud, e
• le linee molto ravvicinate indicano un campo più forte, mentre le linee più distanziate indicano un campo più debole.

Cospargi della limatura di ferro su un foglio posto sopra un magnete a barra: ogni minuscolo frammento di ferro diventa un piccolo magnete che si allinea con il campo. I frammenti si dispongono secondo lo stesso schema curvo mostrato nei disegni, più spessi vicino ai poli e più sottili lontano da essi. Le linee di campo non si incrociano mai, perché in un punto il campo può avere una sola direzione.

Le bussole leggono il campo

L'ago di una bussola è un piccolo magnete che può ruotare liberamente. La sua estremità nord ruota fino a puntare nella direzione del campo locale. In questo modo, una bussola rileva la direzione del campo e permette di tracciarne la mappa un punto alla volta. Lontano dai magneti vicini, il campo che percepisce è quello della Terra: per questo l'ago si stabilizza verso il nord geografico. Poiché i poli opposti si attraggono, la parte della Terra vicina al polo nord geografico si comporta come un polo magnetico sud.

Perché il campo si indebolisce così rapidamente

Lontano da un piccolo magnete, il campo diminuisce secondo 1 / r³, dove r è la distanza dal suo centro. Raddoppia la distanza e il campo si riduce a un ottavo. Triplicala e scende a un ventisettesimo.

Il motivo è la struttura del dipolo. Un magnete ha un polo nord e un polo sud vicini tra loro e, da lontano, i loro effetti si annullano in parte. Confronta questo comportamento con la regola più semplice 1 / r² per una singola sorgente isolata. Un dipolo non ha una singola sorgente da seguire, quindi l'effetto rimanente diminuisce più rapidamente.

Ecco perché un magnete potente può sollevare un chiodo da pochi millimetri di distanza, ma non ha alcun effetto da un metro. La simulazione lo mostra come un campo che si assottiglia rapidamente nel momento in cui allontani la sonda.

Somma dei campi e punti neutri

Quando due magneti si trovano vicini, i loro campi si sommano come vettori, punto per punto. Questo si chiama sovrapposizione. Se due campi puntano nella stessa direzione, si rafforzano a vicenda. Se puntano in direzioni opposte e hanno la stessa intensità, si annullano.

Un punto in cui il campo totale è esattamente zero è un punto neutro. Una bussola collocata lì non ha una direzione preferita, quindi l'ago può fermarsi in qualsiasi orientamento. Puoi trovare questi punti rivolgendo due poli uguali l'uno verso l'altro: i campi si spingono in direzioni opposte e, in un punto tra i magneti, si equilibrano.

Idee sbagliate comuni

• "I magneti attirano tutto ciò che è metallico." Solo alcuni materiali, soprattutto ferro, nichel e cobalto, reagiscono fortemente. Le lattine di alluminio e le monete di rame non si attaccano.
• "Una bussola punta verso il polo del magnete che si trova vicino." Punta lungo il campo locale, che è curvo. Vicino a un magnete potrebbe puntare in una direzione molto diversa da quella del polo più vicino.
• "Le linee di campo sono corde vere." Sono uno strumento grafico. Il campo esiste ovunque, non solo lungo le linee.
• "Il polo nord della Terra è un polo nord magnetico." In termini magnetici è l'opposto, come mostra la spiegazione sul funzionamento della bussola qui sopra.

Come esplorarlo in laboratorio

Il Laboratorio dei campi ti permette di posizionare magneti, trascinare sonde e vedere il campo 3D. Un ordine consigliato per esplorare il primo mondo gratuito:

1. Prova la regola di attrazione e repulsione in Poli e forze.
2. Disegna l'invisibile con Linee di campo e limatura di ferro.
3. Scopri perché un ago oscilla in La bussola e il campo terrestre.
4. Misura la diminuzione in I campi si indeboliscono rapidamente, poi cerca i punti nulli in Punti neutri.

Il laboratorio è un modello didattico semplificato con magneti idealizzati, quindi le forme sono più ordinate rispetto ai campi complessi dei magneti reali e irregolari. Le idee restano comunque valide.