Il flusso magnetico è la quantità di campo magnetico che penetra in un’area perpendicolare ad essa. In una semplice situazione in cui il campo passa ad angolo retto attraverso una superficie piana, questa quantità è l’intensità del campo magnetico moltiplicata per l’area della superficie. Nella maggior parte delle situazioni reali, tuttavia, devono essere presi in considerazione altri fattori. Il flusso magnetico è un concetto importante in molte aree della scienza, con applicazioni relative a motori elettrici, generatori e allo studio del campo magnetico terrestre. In fisica è rappresentato dalla lettera greca phi, φ.
Legge di Gauss
Un magnete a barra ha due poli, chiamati nord e sud a causa del modo in cui reagiscono al campo magnetico terrestre, che è allineato approssimativamente nord-sud. È una convenzione scientifica che le linee di forza magnetica scorrano da nord a sud. Se una persona prende la superficie rettangolare bidimensionale all’estremità nord di una barra magnetica, ha un flusso magnetico, così come la superficie al polo sud. Il magnete nel suo insieme, tuttavia, non ha flusso, poiché le estremità nord e sud sono uguali in forza e il campo “fluisce” dal polo nord al polo sud, formando un anello chiuso.
La legge di Gauss per il magnetismo afferma che, per una superficie chiusa, come una sfera, un cubo o una barra magnetica, il flusso magnetico è sempre zero. È un altro modo per dire che un oggetto, per quanto piccolo, con un polo nord deve sempre avere un polo sud di uguale forza e viceversa. Tutto ciò che ha un campo magnetico è un dipolo, il che significa che ha due poli. Alcuni scienziati hanno ipotizzato che possano esistere monopoli magnetici, ma nessuno è mai stato rilevato. Se vengono trovati, la legge di Gauss dovrebbe essere cambiata.
Legge di Faraday
La legge di Faraday afferma che un cambiamento nel flusso magnetico creerà una tensione, o forza elettromotrice (EMF), all’interno di una bobina di filo. Semplicemente spostando un magnete vicino a una bobina di filo otterrai questo, così come un cambiamento nella forza del campo magnetico. La tensione prodotta può essere determinata dalla velocità di variazione del flusso magnetico e dal numero di spire della bobina.
Questo è il principio alla base dei generatori di elettricità, in cui il movimento è creato, ad esempio, dall’acqua corrente, dal vento o da un motore alimentato da combustibili fossili. Magneti e bobine di filo convertono questo movimento in energia elettrica, secondo la legge di Faraday. I motori elettrici dimostrano la stessa idea al contrario: una corrente elettrica alternata in bobine di filo interagisce con i magneti per produrre movimento.
Materiali magnetici
I materiali variano nelle loro reazioni ai campi magnetici. Le sostanze ferromagnetiche producono da sole un campo magnetico più forte e questo campo può persistere quando il campo esterno viene rimosso, lasciando un magnete permanente. Il ferro è l’elemento più noto di questo tipo, ma anche altri elementi metallici, come cobalto, nichel, gadolinio e disprosio, dimostrano questo effetto. Magneti molto potenti possono essere realizzati con leghe dei metalli delle terre rare neodimio e samario.
I materiali paramagnetici producono un campo magnetico in risposta a uno esterno, producendo un’attrazione relativamente debole che non è persistente. Rame e alluminio sono esempi. Un altro esempio è l’ossigeno; in questo caso, l’effetto è meglio dimostrato con l’elemento in forma liquida.
Le sostanze diamagnetiche creano un campo magnetico che si oppone a un campo esterno, producendo repulsione. Tutte le sostanze mostrano questo effetto, ma normalmente è molto debole e sempre più debole del ferromagnetismo o del paramagnetismo. In alcuni casi, come una forma di carbonio chiamata grafite pirolitica, l’effetto è abbastanza forte da consentire a un piccolo pezzo di materiale di questo tipo di fluttuare nell’aria appena sopra una disposizione di potenti magneti.
Calcolo e misurazione del flusso
Il calcolo del flusso per una superficie piana ad angolo retto rispetto alla direzione di un campo magnetico è semplice. Spesso però è necessario calcolare la quantità per una bobina di filo, detta anche solenoide. Supponendo che il campo sia perpendicolare al filo, il flusso totale è l’intensità del campo magnetico moltiplicata per l’area attraverso la quale passa moltiplicata per il numero di spire della bobina. Quando il campo non è perpendicolare alla superficie, si deve tenere conto dell’angolo formato dalle linee del campo magnetico rispetto alla perpendicolare e il prodotto viene moltiplicato per il coseno di questo angolo.
Uno strumento chiamato flussometro viene utilizzato per misurare la quantità del campo. Si basa sul fatto che un campo magnetico creerà una corrente elettrica in un filo se i due si muovono l’uno rispetto all’altro. Questa corrente può essere misurata per determinare il flusso.
Flusso magnetico in geologia
La misurazione del flusso magnetico in vari punti della superficie terrestre consente agli scienziati di monitorare il campo magnetico del pianeta. Questo campo, pensato per essere generato da correnti elettriche nel nucleo di ferro della Terra, non è statico, ma si sposta nel tempo. I poli magnetici, infatti, si sono invertiti molte volte in passato e probabilmente lo faranno di nuovo in futuro. Gli effetti di un’inversione di polarità possono essere gravi, poiché durante il cambiamento l’intensità del campo si ridurrebbe su gran parte del pianeta. Il campo magnetico terrestre protegge la vita sul pianeta dal vento solare, un flusso di particelle cariche elettricamente provenienti dal Sole che sarebbero dannose.
Unità di misura
La forza di un campo magnetico, o la densità del flusso magnetico, è misurata in Tesla, un’unità che prende il nome dall’ingegnere elettrico Nikola Tesla. Il flusso è misurato in Webers, dal nome del fisico Wilhelm Eduard Weber. Un Weber è 1 Tesla moltiplicato per 1 metro quadrato e un Tesla è 1 Weber per metro quadrato.