Campo elettrico e campo magnetico: proprietà e differenze

Campo elettrico, cariche nello spazio.

Il concetto stesso di campo come definizione non è semplicissimo. A svilupparlo furono Maxwell e Einstein arrivando a parlare delle forze che le cariche elettriche possono generare. Secondo la loro teoria, queste non influenzano direttamente le altre cariche ma creano un campo che si propaga nello spazio.

Il campo elettrico si configura come una grandezza vettoriale, definita dalla legge di Coulomb. Esso non è davvero scindibile dal campo magnetico, poiché insieme danno vita al campo elettromagnetico, descritto dalle equazioni di Maxwell. Ma questo verrà più avanti.

Per convenzione, questo vettore si indica con E. La definizione enuncia che E è il campo generato da una carica Q. Il suo valore in un punto P Corrisponde al rapporto fra la forza elettrica (F) eserciatata su una carica di prova q posta nel punto P e la carica di q stessa. Riassumendo il tutto con una formula:

E = F/q.

L’unità di misura stabilita nel Sistema Internazionale è N/C, ossia Newton su Coulomb. La carica di prova q qui definita per convenzione è positiva e poco intensa, in modo che non possa alterare sensibilmente il campo.

Poiché il campo è un vettore, avrà una direzione e un verso. La prima sarà data dal segmento che congiunge le due cariche, il verso sarà stabilito in base al fatto che la forza agisce su carica positiva. Se q fosse negativa il campo elettrico avrebbe verso opposto.

Il campo magnetico, aghi e attrazioni.

Il concetto di magnetismo risale ancora allo studio della magnetite, minerale in grado di attarrre ferro, cobalto e nichel. Fu Gilbert nel 1600 a concepire la Terra come un grande magnete, a partire dall’orientamento degli aghi magnetici.

Non è possibile separare i poli di una calamita, mentre è possibile farlo con le cariche elettriche. Tagliando un oggetto magnetico si generano solo due calamite più piccole. L’attrazione magnetica si osserva fra poli opposti, e dipende dalla distanza come per la gravità.

Anche il campo magnetico è considerato una grandezza vettoriale e il suo simbolo è B. La sua direzione e il suo verso sono definiti dall’orientamento di un ago magnetico che ne risenta. La retta su cui si dispone l’ago è la direzione, il verso va dal polo sud al polo Nord.

Per calcolarne il modulo occorre andare oltre e passare alle interazioni fra correnti e magnetismo. Il campo elettrico infatti è legato sempre ai fenomeni di magnetismo.

Ad esempio, un filo percorso da corrente genera un campo magnetico. Indichiamo con i la corrente, con r la distanza dal filo e con k il coefficiente di permeabilità magnetica. Poi vedremo meglio k. Si ottiene:

B = k i/r

La formula di k è fissata nel Sistema Internazionale come µ₀/2π. Esprime l’attrazione magnetica generata dalla corrente. µ₀ è una costante detta permeabilità magnetica nel vuoto. 

Confronto fra i due campi: analogie.

Il campo magnetico e il campo elettrico sono strettamente correlati e presentano molti elementi che li accomunano. Per elencare i principali:

•  Entrambi sono campi vettoriali di forza e sono descritti in ogni punto dello spazio da linee di campo. Si tratta di linee immagianrie tracciate per visualizzarne l’area. In ogni punto in cui non vi siano cariche passa una sola linea di campo ed esse non si intersecano mai.
• Godono entrambi del principio di sovrapposizione. Per il campo magnetico, se in suo punto è generato da più correnti allora sarà uguale alla somma vettoriale dei campi generati dalle singole correnti. Per l’elettrico, se in un suo punto è generato da più cariche sarà pari alla somma vettoriale dei campi generati dalle singole cariche.
• Se ho un conduttore scarico e non magnetico, è possibile sia elettrizzarlo che magnetizzarlo.
• Così come esistono due tipi di carica elettrica (positiva/negativa) esistono due poli magnetici, positivo e negativo. Anche per le regole di attrazione vale in entrambi i casi che gli opposti si avvicinano e i concordi si allontanano.
  

Confronto tra i campi: differenze.

•  Essendo prodotto da una corrente, i campi magnetici è sono legati alle cariche in movimento. Per quanto riguarda i campi elettrici invece possono essere generati anche da cariche statiche.
• Mentre è possibile separare le cariche elettriche negative o positive, questo non è possibile con i poli di un magnete. Provate a rompere una calamita e potrete verificare.
• Per rilevare un campo elettrico è necessario utilizzare una carica di prova q, che è puntiforme e ferma in una regione dello spazio. Per rilevare invece la presenza di un campo magentico occorre servirsi di un ago magnetico che si orienti secondo direzione e verso del vettore.
•  I campi elettrici sono conservativi. Questo significa che il lavoro svolto dalle forze non dipende dal percorso seguito ed è possibile parlare di potenziale elettrico e di energia potenziale. I campi magnetici invece non sono conservativi e quindi non hanno un potenziale magnetico.
• Quando si elettrizza un conduttore la sua carica è determinata da un passaggio in eccesso o in difetto di elettroni. Se essi sono in eccesso la carica del corpo sarà negativa, altrimenti sarà positiva. Tutto questo non si verifica quando lo stesso conduttore viene magnetizzato.
• Il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è pari al rapporto fra la somma algebrica delle cariche e la costante dielettrica nel vuoto (ε₀). Il flusso del campo magnetico attraverso una superficie chiusa è sempre pari a zero.