Elettromagnete

Un elettromagnete (o elettrocalamita) è un dispositivo costituito da una bobina e da un nucleo ferromagnetico dolce che funge da calamita temporanea, mediante la regolazione della corrente che scorre nella bobina e del relativo campo magnetico esterno.

A questo punto del corso sul Magnetismo conosciamo già le principali proprietà magnetiche della materia e sappiamo quali sono le cause e gli effetti del fenomeno di polarizzazione magnetica. Ci siamo concentrati nello specifico sui materiali ferromagnetici, e abbiamo visto che in presenza di un campo magnetico esterno tendono ad acquisire una propria magnetizzazione.

Con queste premesse vogliamo presentare un strumento che ha numerosissime applicazioni pratiche e che sfrutta il comportamento dei ferromagneti: l'elettromagnete, noto anche come elettrocalamita.

Cos'è un elettromagnete e come funziona

Un normale magnete è in grado di creare un campo magnetico attorno a sé con linee di campo chiuse che escono dal polo nord ed entrano nel polo sud. Tale campo ha un valore fisso in ogni punto dello spazio e non c'è modo di cambiarlo; per avere un campo magnetico più o meno intenso bisogna sostituire il magnete con un altro, in grado di creare un campo del valore desiderato.

C'è però un dispositivo che permette di regolare l'intensità del campo magnetico, detto elettromagnete, che si rivela estremamente utile in svariate applicazioni tecnologiche.

Un elettromagnete è costituito da un nucleo di ferro, che sappiamo essere un materiale ferromagnetico, ossia un materiale che in presenza di un campo magnetico esterno è in grado di magnetizzarsi e di creare a sua volta un proprio campo magnetico.

Elettromagnete: bobina e nucleo ferromagnetico (dolce).

Attorno a una parte del nucleo di ferro è avvolta una bobina costituita da un materiale conduttore elettrico, in cui viene fatta fluire una corrente. La bobina diventa così un solenoide: sappiamo in particolare che all'interno di un solenoide percorso da corrente si crea un campo magnetico uniforme, con linee di campo parallele all'asse del solenoide stesso.

Il solenoide percorso da corrente genera quindi un campo magnetico che ha l'effetto di magnetizzare il nucleo di ferro; quest'ultimo diventa così un magnete capace di creare un campo magnetico tra il suo polo nord e il suo polo sud.

Sappiamo che tutte le sostanze ferromagnetiche, nel processo di polarizzazione magnetica, seguono la curva di isteresi magnetica. Essa descrive l'intensità del campo di magnetizzazione che il materiale può generare al variare dell'intensità del campo magnetico esterno.

Lo scopo di un elettromagnete è proprio quello di regolare l'intensità del campo prodotto dal nucleo ferromagnetico, mediante la regolazione della corrente che scorre nella bobina.

Dalla lezione dedicata è noto che il campo all'interno del solenoide è direttamente proporzionale alla corrente che scorre nelle sue spire. Se immaginiamo di ragionare nel vuoto e approssimiamo il solenoide al modello ideale (lunghezza molto maggiore del diametro), vale la formula

dove è il numero di spire, è l'intensità di corrente e è la lunghezza del solenoide.

Se invece consideriamo il nucleo ferromagnetico ci basta mettere assieme le formule della polarizzazione e quella per il campo generato dal solenoide. Detta la permeabilità magnetica assoluta del materiale, vale la formula

In entrambi i casi è l'induzione magnetica (che viene impropriamente chiamata campo magnetico), ma il campo magnetico esterno (in senso stretto) è dato dal contributo .

Così, aumentando il valore di corrente, si può aumentare anche il valore del campo magnetico esterno; questo a sua volta va ad incidere sul valore del campo di magnetizzazione creato dal nucleo di ferro.

In sintesi otteniamo un dispositivo che permette di controllare l'intensità del campo magnetico esterno regolando l'intensità di corrente in ingresso. L'elettromagnete è quindi una calamita che si può accendere, spegnere e regolare a comando.

Elettromagnete e nucleo ferromagnetico dolce

La costruzione dell'elettromagnete prevede di usare un nucleo ferromagnetico perché è in grado di magnetizzarsi molto meglio degli altri materiali.

La scelta in particolare ricade sul ferro, anziché ad esempio sul cobalto o sul nichel, perché il ferro è un materiale ferromagnetico dolce, cioè ha la capacità di magnetizzarsi molto facilmente e di smagnetizzarsi altrettanto facilmente.

In questo modo, quando interrompiamo il passaggio di corrente nella bobina e annulliamo il suo campo, non passerà molto tempo prima che la magnetizzazione residua creatasi nel ferro si annulli a sua volta, disattivando completamente il dispositivo.

Se usassimo un materiale ferromagnetico duro non otterremmo lo stesso effetto, perché dopo aver acquisito la magnetizzazione residua tenderebbe a comportarsi da magnete permanente anche a fronte di un campo magnetico esterno nullo.

Principali applicazioni degli elettromagneti

La prima e più ovvia applicazione degli elettromagneti riguarda lo spostamento dei materiali magnetici, soprattutto quelli di grandi dimensioni: si utilizzano potenti elettromagneti in grado di attrarre e spostare oggetti metallici ingombranti. Si pensi ad esempio ai grandi rifiuti nelle discariche, quali scheletri di automobili e macchinari rotti.

Queste potenti elettrocalamite si rivelano molto pratiche perché in fase di utilizzo generano campi magnetici intensi, e d'altronde possono essere disattivate così da essere conservate senza effetti né interazioni indesiderate con l'ambiente circostante.

Un'ulteriore applicazione dell'elettromagnete riguarda i dispositivi che riproducono l'audio, come gli auricolari delle cuffie e dei telefoni.

All'auricolare arriva un segnale elettrico irregolare e oscillante, con momenti in cui il segnale è più forte intervallati da momenti in cui il segnale risulta più debole. Questa discontinuità consente di trasportare l'informazione da trasmettere a distanza.

Tale segnale arriva all'auricolare, dove è situato un piccolo elettromagnete che crea un campo magnetico oscillante di intensità variabile e legata all'intensità della corrente in ingresso. Vicino all'elettromagnete è collocata una piccola membrana metallica che oscilla, attratta più o meno intensamente dal campo magnetico variabile, e che grazie al suo continuo movimento crea onde sonore nell'aria. In questo modo un segnale elettrico viene tradotto in suono.

Nella prossima lezione concluderemo la classificazione magnetica dei materiali e parleremo di paramagnetismo e diamagnetismo.

Nel frattempo vi ricordiamo che qui su YM potete trovare tutto quello che vi serve con la barra di ricerca interna: lezioni, approfondimenti ed esercizi risolti. ;)

Buona Fisica a tutti!

Alessandro Catania (Alex)

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Tags: funzionamento dell'elettromagnete - utilizzi e applicazioni degli elettromagneti.

Ultima modifica: 08/05/2023