Moto di cariche elettriche in un campo magnetico
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Come è noto, il campo magnetico della Terra
è molto simile a quello generato da un magnete rettilineo idealmente
posizionato lungo un asse molto prossimo all'asse di rotazione della
Terra.Le linee di forza di un tale campo non sono distribuite
uniformemente nello spazio ma sono rappresentabili come in figura. Per
comprendere la variazione che subisce la traiettoria di una particella
carica, proveniente dallo spazio, in prossimità del campo magnetico
terrestre è necessario conoscere alcuni concetti di elettromagnetismo. |
Effetto specchio
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Una carica elettrica che entra
in un campo magnetico uniforme, in direzione non parallela alle sue
linee di forza, subisce una forza espressa dalla relazione
nota come forza
di Lorentz ,che dà origine ad una traiettoria
elicoidale, il cui raggio è dato dalla relazione
a causa della conservazione della componente della velocità
iniziale parallela alle linee di forza del campo
magnetico.
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Forza di Lorentz
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Se, al contrario, il
campo magnetico non è uniforme,il raggio dell’orbita
circolare (raggio di Larmor), si restringe ed il passo dell’elica si
accorcia a causa di una componente della forza di Lorentz contraria
alla direzione iniziale del moto. Tale componente, dopo aver ridotto a
zero la componente della velocità parallela al campo, laddove
l’intensità dello stesso è massima,ne produce l’inversione e la
particella torna indietro, mantenendo lo stesso verso di rotazione.
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La radiazione intrappolata
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Le particelle cariche, ioni ed elettroni, provenienti dal Sole,
possono essere intrappolate dal campo magnetico della Terra. I
loro moti sono molto elaborati, essendo
la composizione simultanea di tre moti periodici:
1. Una veloce rotazione intorno alle linee di campo magnetico, in media migliaia di
volte al secondo.
2. Un rimbalzo meno veloce
avanti e indietro lungo le linee di campo che dura in media 1/10 di secondo.
3.
Una lenta deriva intorno
all’asse magnetico della Terra, da una linea di campo alla sua vicina, che si
trova alla stessa distanza dall’asse. In media il tempo per ruotare
intorno alla Terra è di pochi minuti.
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1.Rotazione
intorno alle linee di campo magnetico.
Cariche di segno
opposto si muovono in direzioni opposte: intorno ad una linea di campo
uscente verso l’osservatore, gli ioni circolano in senso
orario, gli elettroni in verso antiorario.
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2. Rimbalzo tra i “punti
speculari”
Mentre tali particelle ruotano
intorno alla linea di campo, il centro della loro traiettoria
circolare generalmente scivola lungo questa linea, creando una tipica
traiettoria a spirale. Tuttavia, una particolare interazione produce
una repulsione della particella che ruota a spirale dalle regioni a
campo magnetico più forte, dove le linee di campo convergono. Poiché
una particella viene respinta
mentre si muove in una
zona di maggior campo magnetico, il suo avanzamento lungo la linea di
guida magnetica rallenta.
La sua velocità di scivolamento
infine
arriva a zero ed allora si inverte, costringendo la particella
a rimbalzare indietro o essere “riflessa”.Senza questa specie di
“riflessione”, gli ioni e gli elettroni non verrebbero
intrappolati nella magnetosfera
della Terra , ma seguirebbero le loro linee guida nell’atmosfera,
dove essi verrebbero assorbiti e si perderebbero. Ciò che accade
invece è che ogni volta che una particella intrappolata si avvicina
alla Terra, esse viene respinta indietro e così viene confinata nella
sezione più distante della linea di campo.
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3.
Deriva intorno alla Terra
In aggiunta alla rapida rotazione
intorno alle linee di campo ed al moto di rimbalzo
avanti e indietro, le particelle intrappolate subiscono anche un lento
trascinamento, per cui esse saltano da una linea di campo ad
un’altra prossima, simile all’originale ma leggermente spostata
intorno all’asse magnetico della Terra. Visto dal polo Nord, uno
ione positivo ruoterà gradualmente in verso orario, un elettrone in
verso antiorario.
Comunque,
in ogni momento, gli elettroni negativi si muovono in una direzione e gli ioni positivi nella direzione opposta, e si
crea una corrente elettrica.
Fu proprio così che Singer
nel 1957 propose di spiegare
l’esistenza
di una corrente ad anello durante
le tempeste
magnetiche.
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La corrente ad anello
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Ma cosa si può dire sulle variazioni del magnetismo della
Terra durante una tempesta
magnetica?
In questo intervallo di
tempo il campo magnetico osservato vicino all’equatore,
tutto intorno alla Terra, diventa
più debole di circa 0.5-1%. Ciò suggerisce che,in qualche
modo, durante le tempeste, una forte corrente elettrica circonda
la Terra intorno al suo equatore. Gli scienziati la chiamarono
“corrente ad anello”,ma nessuno aveva idea della distanza
alla quale essa circolasse.
La teoria di Alfvén suggeriva il modo in cui questa corrente potesse
essere trasportata. Le particelle cariche, come gli ioni o gli
elettroni, erano non solo guidati dalle linee di campo magnetico, ma
appena essi scivolavano
lungo tali linee (più precisamente, muovendosi a spirale intorno ad
esse), erano anche respinti dalle regioni dove il campo era più intenso.
Le tempeste magnetiche si originano da flussi insolitamente
veloci nel vento solare,
specialmente quelli connessi con le macchie solari attive.
Il vento solare comprime le linee di campo magnetico di
fronte ad esso sulla faccia
illuminata della Terra e confina quelle linee in un cavità
arrotondata.Dal lato opposto, sulla faccia non illuminata, lo stesso
vento solare stira le linee di campo in una lunga coda magnetica e la cavità
allora diventa un
lungo cilindro
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Le fasce di Van Allen
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Nel 1958 i satelliti artificiali osservarono queste “cinture di
radiazioni” intrappolate:
non solo fasce temporanee associate alle tempeste magnetiche, ma
caratteristiche permanenti dell’ambiente magnetico della Terra nello
spazio. Nel 1959 questo ambiente venne chiamato “magnetosfera” da
Torn Gold della Cornell University. Furono trovati due tipi di fasce.
Una interna, piccola ma
intensa fascia di protoni , risultò essere il prodotto secondario della
radiazione cosmica, del diffuso fondo di particelle ad alta energia che
sembrano riempire la nostra galassia.
Ma era la “fascia esterna” che conduceva la corrente ad
anello, una cintura di ioni ed elettroni con moderata energia ma molto
numerosi.
Come
conseguenza della distanza tra
gli assi geografico
e magnetico,la fascia interna raggiunge la sua quota minima
di circa 250 km al di
sopra
dell’oceano Atlantico al largo della costa brasiliana. Questa
“anomalia del Sud Atlantico” occupa
una regione attraverso la
quale passano
frequentemente satelliti ad orbita bassa. Le
particelle energetiche in questa zona possono essere una
fonte
di problemi per i satelliti e gli astronauti.
Recentemente è
stata trovata una nuova fascia all’interno della prima fascia.
Essa contiene nuclei pesanti (soprattutto ossigeno, ma anche azoto
ed elio, e pochissimo carbonio) con energie inferiori e 50MeV.La
sorgente di queste particelle sono i cosiddetti “raggi cosmici
anomali” di origine interstellare.
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Fasce di Van Allen
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