【Edizione per il Ministero dell'istruzione】Fisica delle scuole superiori, Obbligatorio Terzo Volume: La scoperta di Oersted e la determinazione della direzione del campo magnetico

Il momento «casuale» che aprì la strada alla fisica elettromagnetica

Nel aprile del 1820, Oersted, durante una lezione, posizionò casualmente un filo sopra una bussola e lo fece attraversare da una corrente. In quell'istante,la bussola subì una deviazione evidenteesattamente ciò che Oersted aveva atteso. Prima di questo, si credeva generalmente che elettricità e magnetismo fossero fenomeni completamente indipendenti. Questa scoperta dimostrò che la corrente elettrica può generare un campo magnetico, non solo rivelando un legame interno tra elettricità e magnetismo, ma anche sfidando gli stereotipi consolidati nel mondo della fisica.

Realta fisica fondamentale: campo magnetico e linee di induzione

Campo magnetico (Magnetic Field): un campo fisico generato dalla corrente intorno a essa. Non è una semplice astrazione, ma una forma concreta di materia che esercita forze sui corpi magnetici posti al suo interno.
Linee di induzione magnetica (Magnetic Induction Line): per descrivere visivamente il campo magnetico, noidisegniamo alcune curve seguendo i filamenti di ferro disposti nel campo magnetico. La densità delle linee indica l'intensità del campo magnetico, mentre la direzione tangente a una linea rappresenta la direzione del campo in quel punto.
Determinazione topologica nello spazio: la relazione tra la direzione della corrente in un filo rettilineo e quella delle linee di induzione magnetica può essere determinata tramiteRegola di Ampèreil metodo appropriato.

💡 Approfondimento storico

L'esperimento di Oersted non fu solo la scoperta che la corrente genera un campo magnetico, ma aprì la strada all'unificazione elettromagnetica. Faraday fu ispirato proprio da questa scoperta e, dieci anni dopo, scoprì l'induzione elettromagnetica, realizzando così un'evoluzione simmetrica dal magnetismo alla corrente elettrica.

DOMANDA 1

[Visuale: Figura 13.1-13] La piccola bussola vicino a un filo rettilineo percorso da corrente, come mostrato nella figura 13.1-13, ha il polo nord rivolto verso nord-est. Indicare la direzione della corrente nel filo.

Perpendicolare al piano verso l'esterno

Dal basso verso l'alto

Dall'alto verso il basso

Orizzontalmente verso sinistra

DOMANDA 2

[Visuale: Figura 13.1-14] Nella figura 13.1-14, quando una corrente scorre nel senso antiorario in un anello di filo circolare, in quale direzione si orienterà il polo nord della piccola bussola posta al centro dell'anello quando si fermerà?

Rivolta verso l'interno del piano

Rivolta verso l'esterno del piano

Raggiante verso l'esterno

Tangente e in senso orario

DOMANDA 3

Quale delle seguenti affermazioni riguardo al campo magnetico di un solenoide percorso da corrente è corretta?

Il campo magnetico alla bocca è più forte che all'interno

Il campo magnetico all'interno è più forte che all'esterno della bocca perché le linee di induzione sono più dense

Non c'è campo magnetico all'interno del solenoide

Le linee di induzione magnetica all'interno del solenoide vanno dal polo N al polo S

DOMANDA 4

Nell'esperimento di Oersted, quando il filo è posizionato nella direzione nord-sud sopra la piccola bussola e viene fatto passare corrente, quale è la causa della rotazione della bussola?

Le cariche nel filo esercitano una forza elettrostatica sulla bussola

Il campo magnetico generato intorno al filo percorso da corrente esercita una forza magnetica sulla bussola

Il riscaldamento del filo cambia la densità dell'aria

Il campo magnetico terrestre scomparve improvvisamente

DOMANDA 5

Secondo l'ipotesi di Ampère sulla magnetosfera terrestre, il campo magnetico è causato da una corrente circolare che passa attraverso l'asse terrestre. Se nel vicino del polo geografico nord si trova il polo sud magnetico, qual è la direzione di questa corrente circolare?

Da ovest verso est

Da est verso ovest

Da sud verso nord

Da nord verso sud

Applicazione integrata: quantificazione del campo magnetico e trasformazione dell'energia

Analisi approfondita combinando la definizione del campo magnetico con i sistemi energetici rinnovabili

Questo studio analizza la comprensione fondamentale dell'induzione magnetica, la determinazione della corrente nell'induzione elettromagnetica e il calcolo quantitativo della conversione dell'energia eolica in energia elettrica. Questi problemi costituiscono una catena tecnologica che va dalla fisica magnetica di base all'applicazione energetica su larga scala.

1. In una certa regione, la velocità del vento è di $14 \text{ m/s}$, la densità dell'aria è $\rho = 1.3 \text{ kg/m}^3$. Se l'area di raccolta dell'energia eolica del generatore è $A = 400 \text{ m}^2$, e il $20\%$ dell'energia eolica può essere convertito in energia elettrica, calcolare la potenza elettrica prodotta.

Risposta:
Utilizzando la formula della potenza eolica: $P_{tot} = \frac{1}{2} \rho A v^3$. Sostituendo i dati: $P_{tot} = 0.5 \times 1.3 \times 400 \times 14^3 = 713.440 \text{ W}$. La potenza finale prodotta è $P = P_{tot} \times 20\% \approx 1,43 \times 10^5 \text{ W}$ (oppure $143 \text{ kW}$).

2. Analisi dell'affermazione: qualcuno ritiene che l'induzione magnetica $B$ sia proporzionale alla forza magnetica $F$ e inversamente proporzionale al prodotto tra corrente $I$ e lunghezza $l$, secondo la formula $B = \frac{F}{Il}$. Questa visione è corretta? Perché?

Risposta:
Questa affermazione è errata. L'induzione magnetica $B$ è una proprietà intrinseca del campo magnetico, determinata dal suo origine (come un magnete permanente o una sorgente di corrente), e non dipende dalla corrente di prova ($I, l$) né dalla forza $F$ che agisce su di essa. Questa formula è solo una definizione, non una relazione di determinazione.

3. Come mostrato nella figura 13.3-12, le bobine A e B sono avvolte intorno al nucleo di ferro P. Se la corrente $i$ nella bobina A varia nel tempo $t$, nella fase $t_1 \sim t_2$, se la corrente $i$ è costante (come nella figura C), ci sarà una corrente indotta nella bobina B? E se aumenta linearmente (come nella figura A)?

Risposta:
若电流恒定（图丙），磁通量不发生变化，B 线圈中无感应电流。若电流随时间变化（如图甲线性增加、图乙减少或图丁非线性变化），产生的磁场随之变化，穿过 B 的磁通量改变，从而在 B 中观察到感应电流。

4. Calcolo del flusso magnetico: la superficie della bobina è $S$, ed è perpendicolare a un campo magnetico uniforme di intensità $B$. Determinare il flusso magnetico nella posizione iniziale, quando ruota di $60^{\circ}$ intorno all'asse $OO'$ e quando raggiunge $90^{\circ}$.

Risposta:
In posizione iniziale, il flusso magnetico è $\Phi_1 = BS$; dopo una rotazione di $60^{\circ}$, l'area proiettata efficace si dimezza, quindi $\Phi_2 = BS \cos 60^{\circ} = 0.5 \cdot BS$; dopo una rotazione di $90^{\circ}$, la bobina è parallela al campo, quindi non passa nessuna linea di induzione magnetica, e $\Phi_3 = 0$.