Campo magnetico terrestre
Il campo magnetico terrestre (o campo geomagnetico) è il campo generato dal pianeta Terra: ha un'intensità media di 4-5·10-5 tesla e ha linee di campo uscenti in prossimità del polo sud geografico ed entranti nelle vicinanze del polo nord geografico.
Dopo aver introdotto il campo magnetico come nuova grandezza vettoriale, il primo esempio su cui vogliamo soffermarci è dato dal campo geomagnetico, vale a dire quello generato dal nostro pianeta.
Per presentarne le proprietà e comprenderne le caratteristiche partiremo da uno strumento noto a tutti: la bussola. Vedremo nello specifico come sono disposte le linee di campo e qual è la relazione tra poli magnetici e poli geografici, dopodiché daremo qualche cenno sulla sua intensità e sulle sue cause.
Il campo magnetico terrestre e la bussola
È da secoli che disponiamo di uno strumento prezioso per orientarci in luoghi sconosciuti o privi di riferimenti noti: la bussola. Essa ci consente di individuare il nord e di conseguenza anche tutti gli altri punti cardinali. Ma come funziona la bussola, e come riesce a indirizzarci sempre e comunque verso il nord?
La bussola è costituita da un piccolo ago magnetico che, come tutti i magneti, ha un polo nord e un polo sud. L'ago è quindi soggetto a una forza nel momento in cui si trova in prossimità di un altro magnete. Se avviciniamo una calamita a una bussola, vedremo l'ago ruotare a causa della presenza del campo magnetico generato dalla calamita. In particolare l'ago della bussola si orienta in relazione al campo che percepisce attorno a sé.
Se appoggiamo la bussola su un tavolo, assicurandoci che nello spazio circostante non vi siano altri magneti, ci aspettiamo che il suo ago si orienti lungo una direzione assolutamente casuale: per quel che ne sappiamo non c'è infatti alcun campo magnetico che la induca a orientarsi lungo una specifica direzione, ad esempio come fa la limatura di ferro attorno a una calamita.
A discapito delle nostre aspettative, però, la bussola presenta un'orientazione precisa, e se la spostiamo per muovere l'ago quest'ultimo oscilla riposizionandosi sempre lungo la medesima direzione.
È chiaro allora che deve esserci un qualche campo magnetico che costringe l'ago della bussola a seguire sempre la stessa direzione. In effetti la causa di questo comportamento è data dal campo magnetico terrestre, che il nostro pianeta crea attorno a sé come se fosse un enorme magnete nello spazio vuoto.
Proprietà e caratteristiche del campo magnetico terrestre
Le linee del campo geomagnetico hanno una disposizione nello spazio non dissimile da quelle di una comune calamita.
Rappresentazione del campo magnetico terrestre.
Le linee escono dal polo nord magnetico ed entrano nel polo sud, esattamente come avviene per qualsiasi altro campo magnetico. Come sempre, inoltre, il vettore campo magnetico è tangente alle linee di campo in ogni punto, e il verso del vettore coincide con il verso dato dall'orientazione della linea passante per quel punto.
Noi tutti siamo sempre e costantemente immersi in un enorme campo magnetico, generato dal nostro pianeta. L'ago della bussola risente della presenza di tale campo, e si orienta lungo la linea passante per il punto dello spazio in cui si trova. Al livello della superficie terrestre le linee sono parallele al terreno e orientate come i meridiani, cioè come quelle linee che congiungono i due poli tagliando la Terra come gli spicchi di un'arancia.
Attenzione però, perché i poli magnetici della Terra non coincidono con i poli geografici:
- il polo nord e il polo sud geografici si trovano in corrispondenza dei punti in cui l'asse di rotazione terrestre incontra la superficie;
- il polo nord e il polo sud magnetici corrispondono ai punti in cui l'asse del campo magnetico terrestre interseca la superficie (e subiscono una lieve variazione di posizione col passare del tempo).
Rispetto all'asse terrestre l'asse del campo geomagnetico è inclinato di circa 11 gradi, valore che prende il nome di declinazione magnetica, e ciò determina un lieve scostamento tra ciascun polo geografico e il rispettivo polo magnetico.
Inoltre poli geografici e poli magnetici sono invertiti, il che provoca una certa confusione in chi affronta l'argomento per la prima volta. Con riferimento alla precedente immagine, sappiamo che le linee di campo escono sempre dal polo nord magnetico e che entrano sempre nel polo sud magnetico. Di conseguenza:
- il polo nord geografico, collocato tra i ghiacci del Circolo Polare Artico, si trova in prossimità del polo sud magnetico;
- il polo sud geografico, situato in Antartide, giace nelle vicinanze del polo nord magnetico.
Vi sarà sicuramente capitato di leggere affermazioni come "il polo nord geografico è vicino al polo nord magnetico", che però non sono del tutto esatte. Si tratta di un abuso di linguaggio comunemente accettato, che non tiene conto delle convenzioni previste dalla teoria del Magnetismo.
In sintesi la bussola punta sempre verso nord, inteso come punto cardinale. In realtà punta verso il polo sud magnetico, che si trova ad alcuni chilometri dal polo nord geografico. All'atto pratico questa distanza è trascurabile e diventa rilevante solo se intendiamo raggiungere il polo nord geografico; in caso contrario la discrepanza è minima e la bussola è più che idonea come strumento per orientarci.
In prossimità dei poli le linee di campo diventano praticamente verticali cosicché, se ci trovassimo lì, vedremmo l'ago della bussola che tenta inutilmente di disporsi in verticale.
Come accennato in precedenza, la bussola funziona fintanto che rimane lontana da qualunque altra fonte di campo magnetico. Avvicinando un magnete si genererebbe un'interferenza non trascurabile, infatti al campo magnetico terrestre si sommerebbe un altro campo che renderebbe la bussola inservibile.
L'intensità del campo magnetico terrestre varia a seconda della regione geografica. In particolare è più debole all'equatore e più intenso ai poli, e ha un modulo che si aggira in media attorno a 4-5·10-5 tesla. Tale valore può oscillare e cambiare nel tempo, su scale temporali più o meno ampie, per cui non ci si può riferire al campo magnetico terrestre come a un valore costante.
Riguardo all'origine del campo geomagnetico le cause che ne determinano l'esistenza non sono note. L'ipotesi più probabile riguarda il movimento di cariche elettriche nel magma che fluisce sotto la crosta terrestre; come avremo modo di scoprire nel prosieguo delle lezioni, le particelle cariche in moto generano un campo magnetico. In ogni caso il fenomeno non caratterizza solamente il nostro pianeta e si riscontra anche per gli altri pianeti del Sistema Solare.
Ci fermiamo qui. Nella prossima lezione presenteremo un importante risultato della teoria del Magnetismo, il teorema di Gauss per il campo magnetico.
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Buona Fisica a tutti!
Alessandro Catania (Alex)
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