La forza di natura magnetica non agisce soltanto sulle singole cariche in moto all’interno di un campo magnetico, ma agisce anche sulle correnti. Perché questo? Perché le correnti sono in realtà una collezione di cariche in movimento. La forza che agisce sulle correnti non si chiama più forza di Lorenz, ma si chiama forza di Laplace,
ma è esattamente lo stesso comportamento. Per capire che cosa succede ad un circuito percorso da corrente quando è immerso in un campo B,
in un campo magnetico, consideriamo un circuito fatto
in questo modo. Un circuito rettangolare per esempio, percorso da corrente, così. Per semplicità in questo nostro circuito non rappresentiamo il generatore, ma ovviamente c’è, perché non è possibile indurre una corrente o avere una corrente in assenza
di generatore, per lo meno in questi circuiti semplici. Ecco, questo nostro circuito percorso da corrente I, individuiamo, diciamo AB sarà questo lato e BC sarà quest’altro. Ometto di chiamare, diciamo di dar nome a questo vertice. Assumiamo adesso di avere un campo B, un campo magnetico orientato in questo modo nello spazio, diciamo complanare alla nostra spira, orientato così. Ecco, vogliamo determinare com’è fatta la forza di natura magnetica che agisce su questa spira. Beh, la forza è dovuta, abbiamo detto, è la forza di Laplace che obbedisce alla regola della mano destra e possiamo provare a rappresentare questa forza in questo modo, utilizzando la regola della mano destra e guardando i versi della corrente e di B, otteniamo che in questo caso la forza è orientata verso il basso, mentre da quest’altra parte la forza è orientata verso l’alto, F_E. Possiamo anche calcolare quant’è il valore di questa forza, possiamo determinare com’è fatta, perché, analogamente alla forza di Lorenz, la forza di Laplace è fatta così: F_L uguale al valore della corrente. Qui non l’ho indicato, ma in tutto il circuito la corrente si chiamava I. Valore della corrente per la, diciamo lunghezza del tratto che sta sentendo la forza, qui ho rappresentato il tratto per esempio BC, che moltiplica per il modulo del campo magnetico. Quindi il valore della forza sarà fatto così. Ecco. Potremmo calcolare o provare a rappresentare com’è fatta la forza che agisce sui tratti,
sul tratto AB e sul suo parallelo qua sopra. E in realtà scopriremo che su questi due tratti non agisce nessuna forza. Che cosa succede ora alla spira se sia libera di muoversi sottoposta a queste due forze? Beh, sono forze uguali e contrarie, e quindi la loro somma farà zero, la spira non traslerà. Però se noi adesso immaginiamo di rappresentare un’asse, ad esempio un’asse di rotazione fatto così queste forze determineranno una rotazione della spira in questa maniera. E così, se la spira fosse libera di muoversi, cercherebbe di orientarsi in qualche maniera, oppure di seguire il campo B. Possiamo anche cercare di calcolare quant’è l’azione sulla spira che la fa ruotare. Quest’azione meccanica si chiama momento, momento di forza. Quindi proviamo a calcolare quanto vale il momento della forza che di solito si calcola come la forza per il braccio. E il braccio sarà la distanza fra la forza e l’asse di rotazione. E quindi dovremo considerare F_L per AB/2 più F_L per AB/2 e il risultato dunque è F_L
che moltiplica la lunghezza del lato. Se sostituiamo bene il valore di F_L, otteniamo che il momento della forza è dato da I per AB per BC
per il valore del campo magnetico B. È vero che noi abbiamo fatto questo calcolo nel caso di una spira rettangolare, ma abbiamo ottenuto
un risultato che ha validità del tutto generale. Questo prodotto è, se guardiamo bene, l’area della spira o la superficie, e quindi possiamo dire che il momento meccanico che sta agendo sulla spira provocandone la rotazione è data dalla corrente per la superficie per il modulo del campo magnetico. Per altro anche il prodotto I per S ha un nome molto particolare, si chiama momento magnetico della spira. Ogni spira possiede questo momento magnetico, che fra un momento andremo a rappresentare. Questo in realtà è il modulo del momento magnetico, ma poi vedremo che è orientato in un certo modo
nello spazio. Giusto per capire che cosa succede poi alla spira dopo che è ruotata, proviamo ad immaginare che la rotazione sia oramai completata. Quindi disegniamo la stessa spira disposta esattamente in verticale. Ecco, in questo caso proviamo a rappresentare nuovamente le forze che stanno agendo sul lato BC e sul lato adesso parallelo. In questo caso di nuovo, con la regola della mano destra emerge che la forza di Laplace è fatta così sul lato superiore e rivolta verso il basso sul lato inferiore. Ecco, notiamo che quella forza che prima causava rotazione, quando la spira è orientata esattamente in verticale non fa più niente, non determina più rotazione. Potreste fare il calcolo di com’è fatta la forza su questi due lati e capireste che anche in questo caso questi due lati non esercitano nessuna azione. Ora possiamo rappresentare il nostro vettore momento magnetico associato alla nostra spira. In generale, il vettore momento magnetico che ha questo valore è orientato ortogonalmente alla spira
e segue anche lui la regola della mano destra. Quindi abbiamo che questo è un momento magnetico M, obbedisce alla regola della mano destra, laddove io devo orientare le dita secondo il verso della corrente e il pollice mi darà il verso di M. Questo momento magnetico segue la spira nel suo movimento e notiamo che quando la spira
è ruotata il momento magnetico si è spostato
anch’esso in questa direzione. Notiamo subito che la spira si è ruotata in modo che M vada a finire parallelo al campo B. E quindi questo è quello che succede a tutte quante le spire che sono percorse da corrente. Vale anche in generale questo discorso, anche con spire che non sono di forma rettangolare io posso, per esempio, rappresentare una spira fatta così: percorsa da corrente, di forma ad esempio circolare, in questo caso la nostra spira avrà un momento magnetico che, sulla base della regola della mano destra è orientato verso l’alto, e possiamo immaginare
di accendere un campo B in prossimità di questa spira. Beh, se accendiamo un campo B che cosa succede alla spira? Succederà che, questo è il campo ad esempio orientato in questo modo, succederà che la spira vedrà una serie di forze, emergere una serie di forze, quindi cercherà di orientarsi secondo le linee del campo B. Quando è arrivata lì non si muove più. Che cosa abbiamo costruito? Abbiamo appena costruito un motore. Se io riesco a costruire una struttura che è costituita da tante spire, magari orientate in modo diverso
nello spazio e riesco a dare corrente a queste spire in modo da costringerle ad orientarsi secondo le linee del campo B, ho costruito un motore. Io accendo la spira, questa spira che ho disegnata così, lei si orienterà secondo B, a questo punto la spengo e prendo un’altra spira orientata in verticale, magari solidale alla prima, la riaccendo, questa cercherà nuovamente di orientarsi a B, poi la spengo e ne prendo un’altra. Se ho tante spire una di seguito all’altra riesco a realizzare quello che è un motore elettrico. Devo solo fare attenzione ad accendere e spegnere le spire in maniera opportuna. E come si vede in questo piccolo filmato, si vedono molto bene le spire che sono gli avvolgimenti di rame, si vedono molto bene i contatti che sono quelli che di volta in volta vanno ad accendere e a spegnere
le varie spire. E così riusciamo a convertire l’energia elettrica e… l’energia elettrica e la presenza di un campo magnetico in un movimento continuo.
