• Anello magnetico
• Campo magnetico

Attrazione e repulsione di un magnete

Quando un magnete si avvicina ad un materiale ferromagnetico, una forza magnetica attrattiva agisce tra i due corpi. Questo è così forte anche con piccoli magneti che potrete percepire chiaramente. La causa di una forza magnetica sono piccole correnti elettriche o cariche in movimento: Piccole correnti circolari a livello atomico sono responsabili in un magnete permanente che esercita una forza magnetica. Gli elettromagneti a loro volta funzionano solo attraverso una bobina attraverso la quale scorre una corrente o una carica in movimento. Nell'elettrostatica ci sono forze elettriche, che a loro volta emanano da cariche statiche e allo stesso tempo agiscono su altre cariche. Inoltre, c'è un campo elettrico nell'elettrostatica, anche se è presente un solo polo.

Una forza magnetica descrive la forza che esiste tra due cariche in movimento.
Le basi di tutti gli effetti della forza in fisica sono le tre forze fondamentali: energia nucleare, gravità ed elettromagnetismo.

Le forze nucleari hanno un ruolo negli atomi stessi e sono la ragione per cui letteralmente non "divergono": nella normale vita di tutti i giorni non si ottiene nulla con loro. Ci può essere un'eccezione: con la fonte di energia della fusione nucleare che sta appena iniziando a svilupparsi, l'importanza delle forze nucleari e l'idea di essa potrebbero raggiungere direttamente un numero molto più grande di persone.

Chiunque può immaginare qualcosa sotto: le forze gravitazionali hanno un ruolo in masse molto grandi - per esempio, la luna è forzata dalla forza gravitazionale tra la terra e la luna su un'orbita circolare attorno alla terra. Se la forza gravitazionale non fosse lì, la luna volerebbe tangenzialmente alla sua orbita, come farebbero gli umani e tutti gli altri corpi sulla Terra rotante.

Poiché le forze nucleari sono al di fuori della nostra percezione diretta e la gravitazione gioca un ruolo solo quando si tratta dei pesi dei corpi sulla Terra, qualsiasi altra forza che può essere altrimenti misurata in qualsiasi modo è di natura elettromagnetica - per esempio, l'attrazione tra una carica positiva e negativa o tra i poli nord e sud di due magneti. Una carica elettrica positiva ed una carica elettrica negativa si attraggono. Altrettanto verrebbero respinte le stesse cariche elettriche. Di conseguenza, c'è un cosiddetto campo elettrico tra le due cariche, che può essere ripreso con linee di campo. Tuttavia, questo campo elettrico inizia anche da una singola carica. Ma quando si tratta di magneti, le cariche magnetiche non possono essere utilizzate. Inoltre, un polo sud o polo nord non esiste mai da solo. Invece, le forze magnetiche sono innescate da minuscole correnti circolari e dai conseguenti momenti magnetici a livello atomico.
Lo spin elettronico dell'elettrone libero di ciascun atomo è solitamente il più forte magnete elementare del materiale. Se una grande parte dei momenti magnetici o dei magneti elementari sono allineati in parallelo, viene menzionata la magnetizzazione. Quindi il materiale ha un polo nord e uno sud - i due poli coesistono sempre, a causa dell'orientamento dei singoli spin. Le forze magnetiche a loro volta agiscono sempre lungo il campo magnetico tra i poli nord e sud. Può anche essere illustrato da linee di campo. Con la densità di queste linee di campo, la forza magnetica aumenta. Inoltre, le linee di campo al di fuori del magnete puntano sempre dal polo nord a quello sud.

Per allineare i singoli magneti elementari in modo controllato, è necessario un campo magnetico. Se si introduce un corpo ferromagnetico in un tale campo magnetico, allora i momenti magnetici si allineano con esso. L'orientamento dei singoli magneti elementari è fissato dall'interazione di scambio, ma solo nei materiali ferromagnetici. Se il campo magnetico esterno viene rimosso nuovamente dopo che i magneti elementari sono stati allineati, l'interazione di scambio assicura che l'orientamento rimanga costante. A questo punto, è solo logico che l'orientamento possa essere nuovamente distrutto: per questo, l'energia dell'interazione di scambio deve essere superata. Questo può essere fatto fornendo energia termica, magnetica o meccanica. Un forte impatto, un forte campo magnetico esterno o un'alta temperatura del materiale possono causare smagnetizzazione.

La Forza di Lorentz si riferisce alla forza che agisce su una carica in movimento in un campo magnetico. La forza di Lorentz è perpendicolare al campo magnetico e alla direzione di movimento della carica, purché non siano paralleli tra loro.

La ragione per cui le forze elettriche e magnetiche sono combinate sotto l'elettromagnetismo sono le cariche e le forze che provocano in diversi stati di movimento: le cariche in uno stato mobile causano forze magnetiche e le cariche a riposo causano forze elettriche. L'elettrodinamica descrive questa transizione tra entrambe le forze attraverso una transizione tra entrambi gli stati di movimento. Le forze magnetiche possono anche essere comprese sulla base del principio dello stato di energia più basso possibile: per esempio, un corpo cade a terra perché l'energia potenziale è più bassa lì. Allo stesso modo, l'energia può essere minimizzata in un sistema costituito da due magneti, che si fronteggiano a una distanza: quindi, l'energia magnetica si trova tra i due magneti, che è descritta in ciascun caso dal prodotto energetico. L'energia di campo nell'aria si sta riducendo con un avvicinamento di entrambi i magneti. Una volta che i due magneti si toccano, lo spazio aereo e quindi la forza magnetica in esso sono minimi. All'avvicinarsi dei magneti, il cambiamento di questa energia magnetica è quindi proporzionale alla forza, che può essere espressa dalla seguente formula con la forza F e il potenziale di energia U: (0)

È il vettore di cambiamento delle direzioni spaziali. Se il cambiamento di energia del potenziale energetico è particolarmente forte in una direzione, anche una forza particolarmente forte agisce in questa direzione. Le equazioni di Maxwell descrivono la dipendenza tra correnti e cariche e campi elettrici e magnetici. Tuttavia, sono molto costosi da risolvere. Una formula di approssimazione sarebbe, ad esempio, il calcolo di una forza magnetica basata sulla superficie di un solenoide in forma cilindrica. Il campo magnetico H viene prima calcolato usando la seguente approssimazione. R è il raggio el (piccola L) la lunghezza della bobina. La lettera I (grande i) indica la corrente che scorre attraverso la bobina: (1)

Da un campo magnetico H, la densità del flusso magnetico B con la permeabilità magnetica μ del materiale e la permeabilità magnetica del vuoto può essere determinata come segue: (2)

La forza F di un magnete cilindrico viene calcolata secondo la seguente formula, con la faccia Polare A: (3)

Inoltre, la faccia Polare del cilindro è: (4)

Se si inserisce (2) in (3), si ottiene quanto segue: (5)

Usando (4) otteniamo: (6)

Ora inseriamo (1) in (6) e otteniamo la nostra formula per la nostra bobina cilindrica con lunghezza l e raggio R: (07)

Per una bobina da 5 cm con 1000 giri e un raggio di 4 cm, che viene attraversato da una corrente di 15 A, ciò comporterebbe una forza di circa 159,7 Newton. Tradotto in un esempio realistico, ciò significherebbe che una tale bobina o un tale elettromagnete può sollevare circa 16 kg. Per una tale bobina e specialmente per la grande corrente non è molto. Per amplificare il campo magnetico o l'energia magnetica, è possibile utilizzare un nucleo di ferro in questo corso. Come risultato della maggiore permeabilità magnetica μ, la forza magnetica aumenta di esattamente μ multipli.