Il campo elettrico è un campo di forze creato dalla presenza di una o più cariche (positive o negative) in grado di propagarsi alla velocità della luce, esercitando una determinata forza su ogni oggetto che incontra. Quando le cariche elettriche responsabili dell’insorgenza del campo sono statiche, si parla campo elettrostatico, se invece sono in movimento si tratta di un campo elettrodinamico.
Se questo campo attraversa un materiale conduttore si produce la corrente elettrica che permette agli elettroni (cariche negative) di fluire liberamente da un punto all’altro del mezzo attraversato. È noto che i corpi dello stesso segno (positivi oppure negativi) si respingono, mentre quelli di segno opposto sono portati ad attrarsi.
Tali fenomeni dipendono essenzialmente dagli stati di elettrizzazione della materia, che a sua volta subisce movimenti più o meno intensi di particelle negative, le uniche ad avere la possibilità di spostarsi liberamente in quanto non ancorate con legami fissi. In un campo elettrico sono presenti in misura variabile sia forze attrattive che repulsive, dalla cui intensità dipende la forza stessa del campo.
Il concetto di campo elettrico, che è una grandezza fisica vettoriale, venne definito da Michael Faraday per esemplificare l’interazione tra due corpi carichi posti a una certa distanza tra loro. In una situazione di questo tipo, si viene a creare una forza a distanza, dove lo spazio che si interpone tra le due masse può essere attraversato da un flusso di cariche mobili, il cui movimento si realizza secondo determinate traiettorie.
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Proprietà di un campo elettrico
La principale proprietà di un campo elettrico si collega al concetto di forza a distanza, poiché essa si genera senza la necessità di un contatto materiale tra due corpi e non sussiste alcuna connessione materiale tra due corpi che interagiscono. Questo concetto rappresentò inizialmente una vera e propria rivoluzione nel campo della fisica teorica, dato che era inconcepibile che potesse verificarsi un passaggio di forza privo di contiguità.
In realtà succede che un corpo può far sentire le sua forza a un altro anche se si trova molto lontano e quindi se lo spazio interposto è particolarmente ampio. Tale condizione dipende appunto dalla presenza di un campo elettrico, nel quale le cariche emesse da un corpo si distribuiscono intorno ad esso fino a raggiungere un altro corpo, purché sia inserito all’interno del campo stesso.
La forza che agisce dipende quindi dal campo e non dal corpo che in origine ha emesso le cariche. Ecco perché anche se notevolmente distanziati, i due corpi possono interagire tra loro. È possibile quantificare la forza di un campo elettrico mediante l’impiego di vettori, applicabili ad ogni punto della spazio e misurabili applicando formule matematiche piuttosto complesse.
Conoscendo il valore vettoriale è possibile risalire all’intensità del campo elettrico e delle forze che agiscono su qualsiasi sua carica poiché esso è un esempio di campo vettoriale. Se la carica è positiva, la forza ha verso e direzione uguali a quelli del campo elettrico; se invece è negativa, la direzione è uguale a quella del campo elettrico, mentre il verso risulta opposto.
Per visualizzare un campo prodotto da più cariche elettriche di solito ci si serve di una serie di vettori che rappresentano le differenti direzioni, in quanto tutte le sue caratteristiche vengono rappresentate dal punto di vista quantitativo. Infatti i vettori di un campo elettrico ne misura quantitativamente gli effetti elettrici in base alla loro intensità, denominando superfici equipotenziali le zone in cui sono presenti dei potenziali costanti.
Come si riconosce un campo elettrico
Come accennato, un campo elettrico è la regione di spazio in cui interagiscono varie tipologie di cariche (positive oppure negative) in grado di modificarne le proprietà. Oltre ad essere vettoriale, è anche conservativo dato che il lavoro compiuto per passare da un punto a un altro dipende soltanto dal punto iniziale e da quello finale, ma non da percorso fatto.
Per riconoscere un campo elettrico è necessario avere la certezza che abbia le seguenti caratteristiche:
- vettoriale;
- conservativo;
- a distanza;
- contenente linee di forza.
Quest’ultimo aspetto si riferisce ad una rappresentazione puramente astratta perché le linee di forza non corrispondono a qualcosa di realmente esistente, ma a una visualizzazione convenzionale. Per poter lavorare concretamente su dati oggettivi è indispensabile tradurre dei concetti astratti (tipici della fisica teorica) in numeri (tipici della fisica applicata) ed è proprio per questo che si utilizzano i vettori.
Per riconoscere un campo elettrico è quindi necessario che siano presenti vettori orientati in maniera tale da formare un insieme di linee di forza con direzioni dipendenti dall’intensità delle cariche. Bisogna inoltre prendere in esame la natura dei materiali coinvolti, tenendo conto che quelli in cui la carica fluisce con facilità, come tutti i metalli, sono chiamati conduttori; mentre quelli che non lasciano sfuggire le cariche elettriche, come plastica, ceramica e vetro, sono definiti isolanti.
Gli elettroni che orbitano intorno agli atomi di conduttori o isolanti mostrano una differente capacità di trasferirsi da una regione all’altra dello spazio, condizionando in tal modo la genesi del campo elettrico e le sue peculiarità.
Che cos’é un campo magnetico
in Fisica un campo magnetico è un campo vettoriale creato nello spazio in seguito al movimento di una carica elettrica che si mostra variabile nel tempo. Le caratteristiche del campo elettrico e di quello magnetico sono differenti soltanto in apparenza, poiché la loro genesi è comune e derivante dal movimento di particelle elettrizzate che, oltre a dare origine alla corrente, provocano anche l’insorgenza del magnetismo.
Pertanto è più giusto parlare di campo elettromagnetico, provocato dalla contemporanea attività delle cariche elettriche e di quelle magnetiche. Per indicare la presenza di un campo magnetico, è necessario l’impiego di una bussola il cui ago si orienta in base alla forza di attrazione terrestre.
Anche per indicare le grandezze relative al magnetismo, si utilizzano le forze vettoriali, poiché alla base di tali manifestazioni ci sono ancora una volta gli elettroni. A differenza del campo elettrico, quello magnetico si identifica poiché le particelle elettriche ruotano in senso orario e antiorario, secondo la loro carica.
Si tratta di movimenti rotatori che presentano la stessa direzione perpendicolare al piano di quella delle cariche elettriche. Un campo elettromagnetico è in grado di interagire nello spazio con cariche elettriche emesse da sorgenti che le hanno generate anche in momenti antecedenti.
Le sue manifestazioni tangibili sono onde elettromagnetiche, che viaggiano alla velocità della luce secondo modelli standard di radiazione quantistica. Per quantizzare i campi elettromagnetici, è necessario applicare alcune leggi di fisica teorica come la Legge di Gauss e la Legge di Ampere.
In seguito a complessi studi sulla teoria della relatività, il campo elettromagnetico può essere indicato anche dalla contemporanea presenza di vettori elettrici e magnetici, secondo la rappresentazione del Tensore Elettromagnetico. Si può affermare che il campo magnetico corrisponde a una deformazione dello spazio causata dalla presenza di un magnete, che è un corpo dotato di due poli opposti.
Come si rappresenta un campo magnetico
Così come il campo elettrico può essere rappresentato da linee vettoriali, il campo magnetico si indica con linee di campo, che godono di alcune tipiche proprietà:
- non si possono mai intersecare;
- sono tangenti al campo magnetico in ogni loro punto;
- entrano sempre nel Polo sud per uscire dal Polo nord;
- creano un campo magnetico la cui intensità è direttamente proporzionale alla loro densità.
Per visualizzare queste linee di campo, è sufficiente spargere della polvere di limatura di ferro intorno a un magnete, per vedere come essa si dispone orientando le particelle proprio lungo le linee di campo. Si tratta in ogni caso di linee chiuse originate dal Polo nord e chiuse nel Polo sud.
Numerosi esperimenti scientifici, in particolare quelli di Faraday, hanno evidenziato come la forza magnetica prodotta in un campo è sempre proporzionale ad esso e alla corrente generatrice. Basandosi sugli esperimenti di Ampere, inoltre, è stato possibile evidenziare lo stretto collegamento tra fenomeni di elettrodinamica e di magnetismo, che sono intimamente connessi tra loro poiché derivano sempre dal movimento degli elettroni.
Caratteristiche di un campo magnetico
Considerando una particella carica che entra in un campo magnetico, essa si muove con un andamento circolare uniforme, che segue le linee di campo. La forza che la caratterizza dipende dalla sua carica elettronica ed in particolare dalla velocità con cui gli elettroni si muovono all’interno del campo.
Tra due conduttori paralleli che vengono percorsi da correnti, si esercitano delle forze repulsive se le correnti hanno versi opposti, o attrattive se hanno lo stesso verso. Questo comportamento è agli antipodi con i normali comportamenti dei corpi caricati positivamente o negativamente all’interno di un campo elettrico.
Tale situazione dipende dalle caratteristiche intrinseche del magnetismo che, pur essendo relativo ai flussi elettronici, ne sfrutta soltanto alcuni aspetti. A differenza dei campi elettrici, i campi magnetici hanno linee di forza chiuse, che dipendono dalla presenza del magnete.
Anche la terra per natura è considerata un gigantesco magnete, avente il Polo sud magnetico che corrisponde al Polo nord geografico e che agisce nello spazio circostante attraverso un suo proprio campo magnetico.
I magneti, che sono oggetti in grado di attirare altri corpi, possono essere di due tipi, naturali o artificiali. Il primo esemplare che fu scoperto era formato da magnetite, una sostanza naturale in grado di magnetizzare oggetti messi a contatto con essa. Diverse sostanze possono essere magnetizzate per contatto, come ad esempio l’acciaio, il ferro e il nichel: in questo caso si parla di magneti artificiali.
Il campo magnetico terrestre viene evidenziato dal funzionamento delle bussole il cui ago si orienta verso il Polo sud magnetico terrestre che è il Polo nord geografico. Come per il campo elettrico, anche in quello magnetico è possibile individuare verso e direzione, utilizzando l’ago magnetico della bussola.