Cum ar trebui să definim câmpul magnetic? Atunci când două obiecte se atrag reciproc (prin intermediul forţei gravitaţionale), energia lor gravitaţională depinde doar de distanţa dintre ele; pare că are sens să utilizăm săgeţi prin care să spunem: "în această direcţie forţa gravitaţională devine din ce în ce mai slabă". Această idee se poate aplica şi în cazul câmpului electric.
Dar ce se întâmplă atunci când două particule se atrag magnetic? Interacţiunea dintre ele nu depinde doar de distanţă, ci şi de mişcarea lor.
Trebuie să identificăm o modalitate de a stabili o direcţie în spaţiu, în aşa fel încât să putem spune: "asta e direcţia câmpului magnetic aici". O metodă simplă ar fi aceea de a defini direcţia câmpului magnetic în funcţie de direcţia pe care o indică acul busolei. Apoi putem efectua experimente pentru a arăta că un câmp magnetic al unui fir electric prin care trece curent formează un model circular, ca în imaginea de mai jos (fig. 1).
Fig. 1. Câmpul magnetic în jurul unui fir străbătut de curent electric. În fiecare punct din spaţiu busola arată direcţia câmpului magnetic.
Dar este această abordare corectă?
Spre deosebire de definiţiile direcţiilor câmpului electric şi gravitaţional, această abordare a direcţiei câmpului magnetic implică un instrument construit de om. Compară imaginea de mai jos (fig. 2) cu cea de deasupra (fig. 1).
Fig. 2
Observă că instrumentele se aliniază de-a lungul unei linii care este perpendiculară pe firul electric. În fapt, oricât te-ai strădui, nu o să reuşeşti să inventezi un instrument electromagnetic care se va alinia altfel. Tot ce poţi să faci este să faci un instrument care indică în direcţia opusă, dar pe aceeaşi linie. De exemplu, poţi folosi vopsea pentru a schimba culorile capetele acului busolei magnetice ori poţi construi o giruetă magnetică (vezi imaginea de mai jos), dar care se roteşte în direcţia opusă celei din imagine. Girueta şi busola nu sunt aşa diferite cum par, fig. 4 arătând similarităţile.
Fig. 3. Giruetă magnetică
Fig. 4
1. Acul busolei magnetice este doar un magnet care are libertatea de a se roti ca reacţie la câmpul magnetic al Pământului.
2. O reprezentare a structurii magnetului la nivel atomic. Fiecare atom este asemănător unei giruete.
Natura încearcă să ne spună ceva: este ceva special cu direcţia indicată de busolă. Definirea direcţiei câmpului magnetic în funcţie de ce indică busola nu este chiar aşa arbitrară cum poate părea.
Câmpul magnetic dictează traiectoria electronilor
Dacă aplicăm definiţia noastră în diverse contexte, vom observa că există o regulă generală: forţa exercitată asupra unei particule încărcate electric care se află în mişcare într-un câmp magnetic este perpendiculară pe direcţia câmpului magnetic şi pe direcţia de deplasare.
O forţă perpendiculară pe direcţia de mişcare este exact ce e necesar pentru o mişcare circulară, aşa că vom descoperi că o particulă încărcată electric în vid se va deplasa în cerc în jurul săgeţilor câmpului magnetic. Asta înseamnă că un câmp magnetic are tendinţa de a captura particulele încărcate electric.
Fig.5
Forţa exercitată asupra unei particule care se află în mişcare într-un câmp magnetic este perpendiculară pe direcţia câmpului magnetic şi pe direcţia de deplasare. Această relaţie este descrisă de regula mâinii drepte pentru un tip de particulă şi de regula mâinii stângi pentru tipul de particulă cu sarcină opusă.
În figura 6 puteţi vedea acest principiu în acţiune. Un fascicul de electroni este generat într-un tub vidat, în care a fost lăsată o cantitate mică de gaz de hidrogen. Câţiva electroni lovesc moleculele de hidrogen, creând lumină şi permiţându-ne să vedem traiectoria fasciculului. Prin aplicarea unui curent firelor electrice (sub formă de cerc) din faţa şi din spatele tubului vidat se produce un câmp magnetic. În imaginea de jos din fig. 6, unde câmpul magnetic este activat, forţa exercitată asupra electronilor, perpendiculară pe direcţia lor de deplasare, îi face să se deplaseze în cerc.
Fig. 6. Un fascicul de electroni se deplasează în cerc în jurul săgeţilor ce descriu câmpul magnetic
Petele solare
Petele solare sunt locuri unde câmpul magnetic al Soarelui este neobişnuit de puternic. Particulele încărcate electric sunt "prizoniere" aici pentru perioade de luni de zile. E timp suficient pentru ca petele solare să se răcească suficient, iar acestea nu se încălzesc la loc pentru că material fierbinte din jur este ţinut la distanţă de forţele magnetice.
Aurora şi viaţa pe suprafaţa terestră
Un câmp magnetic puternic pare să fie o condiţie esenţială pentru existenţa vieţii pe o planetă. Particulele de mare energie generate de Soare sunt captate de câmpul magnetic al Terrei şi sunt direcţionate către poli. Pe lângă protecţie, câmpul magnetic al Pământului creează şi unul dintre fenomenele stranii ce pot observate pe Pământ, "luminile nordice" ori aurora.
Radiaţiile din spaţiul interplanetar şi viaţa pe Marte
Astronauţii care au ajuns pe Lună au fost în afara câmpului protector al Pământului pentru circa o săptămână, acumulând doze de radiaţii semnificative. Problema va fi mult mai serioasă în cazul unei călătorii către Marte, care va dura ani. Aceşti călători ai viitorului vor fi afectaţi de radiaţii în spaţiul interplanetar, dar şi odată ce ajung pe Marte, pentru că această planetă nu are un câmp magnetic puternic.
Analiza solului de pe Marte a identificat, după unii cercetători, bacterii fosilizate. Dacă viaţă unicelulară a apărut pe Marte, probabil acesta a evoluat sub suprafaţa planetei.
Viaţa pe Terra a apărut şi s-a dezvoltat, cel mai probabil, în oceane. Cea mai mare parte a biomasei de pe Terra constă din organisme unicelulare care trăiesc în oceane ori sub pământ.
— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
CUPRINS
6.2. c. Câmpul magnetic pe înţelesul tuturor
