Campi e Forze
Inizia con la legge di Coulomb, i campi elettrici, la legge di Gauss e i circuiti semplici (legge di Ohm, regole di Kirchhoff).
Elettromagnetismo
Le equazioni di Maxwell, i campi elettrici e magnetici, le onde elettromagnetiche e i circuiti: la fisica che sta alla base di tutta la tecnologia moderna.
Panoramica
L'elettromagnetismo è la branca della fisica che descrive i campi elettrici e magnetici, le loro interazioni con la materia e le onde elettromagnetiche che includono luce, radio e raggi X. James Clerk Maxwell unificò elettricità, magnetismo e ottica in quattro equazioni compatte negli anni '60 dell'Ottocento: uno dei più grandi successi nella storia della scienza.
Il campo si divide in elettrostatica (oneri fissi), magnetostatica (correnti stazionarie), elettrodinamica (campi variabili nel tempo) e lo studio di onde elettromagnetiche e le loro interazioni con la materia.
Concetti fondamentali
Campi elettrici e legge di Coulomb
La legge di Coulomb descrive la forza tra due cariche puntiformi stazionarie: F = kq₁q₂/r². Il campo elettrico E = F/q quantifica la forza per unità di carica in qualsiasi punto dello spazio, visualizzato come linee di campo che puntano lontano dalle cariche positive e verso le cariche negative. La legge di Gauss mette in relazione il flusso elettrico totale attraverso una superficie chiusa con la carica racchiusa.
Campi magnetici e forza di Lorentz
Le cariche in movimento generano campi magnetici, descritti dalla legge di Biot-Savart e dalla legge di Ampère. La legge della forza di Lorentz F = q(E + v × B) fornisce la forza elettromagnetica totale su una carica che si muove in campi elettrici e magnetici combinati. I monopoli magnetici non esistono: le linee di campo formano sempre anelli chiusi.
Equazioni di Maxwell
Le quattro equazioni di Maxwell sono la descrizione classica completa dell'elettromagnetismo:
- Legge di Gauss: ∇·E = ρ/ε₀ — i campi elettrici divergono dalle cariche
- Legge di Gauss per il magnetismo: ∇·B = 0 — assenza di monopoli magnetici
- Legge di Faraday: ∇×E = −∂B/∂t — cambiando B si induce E
- Legge di Ampère-Maxwell: ∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t — le correnti e il cambiamento di E producono B
Prendendo il ricciolo degli ultimi due si ottiene l’equazione delle onde elettromagnetiche, prevedendo onde che viaggiano a c = 1/√(μ₀ε₀) ≈ 3×10⁸ m/s — la velocità della luce.
Induzione elettromagnetica
Legge di Faraday: un flusso magnetico variabile induce un campo elettromagnetico. La legge di Lenz ne specifica la direzione, opponendosi al cambiamento che l'ha causata. Questo è il principio alla base dei generatori, dei trasformatori e della carica induttiva. L'autoinduttanza descrive il modo in cui una bobina si oppone ai cambiamenti nella propria corrente.
Percorsi di apprendimento
Induzione e circuiti
Coprire le leggi di Faraday e Lenz, l'induttanza, la capacità, i circuiti CA e l'oscillatore LC.
La teoria di Maxwell
Le equazioni di Master Maxwell in forma differenziale, le onde elettromagnetiche e il collegamento con la relatività ristretta.
Articoli chiave
Equazioni di Maxwell
Una derivazione completa e un'interpretazione fisica di tutte e quattro le equazioni di Maxwell.
Leggi →L'effetto fotoelettrico
La spiegazione di Einstein che ha lanciato la teoria quantistica: la luce come fotoni.
Leggi →L'effetto Aharonov-Bohm
Come i potenziali elettromagnetici influenzano le fasi quantistiche anche dove i campi sono pari a zero.
Leggi →L'effetto Faraday
I campi magnetici ruotano la polarizzazione della luce, un legame profondo tra EM e ottica.
Leggi →L'effetto Kerr
Come i campi elettrici alterano l'indice di rifrazione di un mezzo.
Leggi →La frequenza del plasma
Come gli elettroni liberi in un plasma rispondono alle onde elettromagnetiche.
Leggi →Calcolatori correlati
Domande frequenti
Cosa descrivono le equazioni di Maxwell?
Come i campi elettrici e magnetici vengono generati da cariche e correnti, come interagiscono e come i campi mutevoli si producono a vicenda, prevedendo la luce come un'onda elettromagnetica.
Qual è la differenza tra potenziale elettrico e campo elettrico?
E è un vettore forza per unità di carica; V è un'energia potenziale scalare per carica unitaria. Si riferiscono tramite E = −∇V.
Perché un campo magnetico variabile crea un campo elettrico?
Legge di induzione di Faraday: la variazione del flusso magnetico induce un campo elettromagnetico. Questo aziona generatori, trasformatori e ricarica wireless.
Cos'è un'onda elettromagnetica?
Un'oscillazione accoppiata dei campi E e B che si propagano a c ≈ 3×10⁸ m/s. Tutta la luce – radio, visibile, raggi X – è radiazione elettromagnetica.