MAGNETISMO

MAGNETISMO
LICEO GINNASIO STATALE “SAN NILO”
Prof.ssa Francesca Russo
LA STORIA: MAGNHSIA
Il termine magnete si deve ai filosofi della Scuola di Mileto:
con il sostantivo magnhs, htos ovvero magnhtis liqos veniva infatti
indicata la roccia magnetica che si rinveniva in cave nei pressi
della città di Magnesia al Silipo, dell’attuale Turchia.
Fin dai tempi di Talete (VI secolo a.C.),
infatti, era noto come quest’ossido di ferro,
detto antonomasticamente MAGNETITE
(in formula FeO-Fe2O3), fosse in grado di
attrarre la limatura di ferro.
LA LEGGENDA:
Secondo la leggenda narrata da Plinio il
Vecchio (23 - 79 d.C.) al capitolo 25 del
Libro XXXVI della sua opera enciclopedica
Historia Naturalis, invece, fu il pastore
cretese “Magnes” a scoprire e dare il suo
nome al magnes lapis: stava
passeggiando per le colline, quando, con
sua meraviglia e orrore, il suo bastone
ricoperto di ferro si attaccò a una roccia:
lottando contro la forza che proveniva
dalla roccia magnetica, cadde.
Stupito e impaurito, il ragazzo tornò a casa e riferì la sua strana
esperienza. Le persone del villaggio andarono quindi a vedere con i
loro occhi la roccia con quelle strane proprietà di attrarre qualsiasi cosa
fatta di ferro e pensarono che si trattasse di magia…
ANCORA CURIOSITÀ ETIMOLOGICHE…
Attualmente i termini calamita e magnete vengono
utilizzati come sinonimi. Il termine calamita fu usato
a partire dal XIII secolo e deriva dal latino călămus, i
(= freccia). Questo perché gli aghi magnetici delle
bussole sono tagliati con questa caratteristica forma.
Il termine bussola, a sua volta, si deve al fatto che le
prime bussole erano costituite da un recipiente di
legno (bossolo, appunto) contenente l’ago
magnetico che indica il nord geografico… Ma del
magnetismo terrestre ci occuperemo dopo.
DATI SPERIMENTALI NOTEVOLI
Alcuni corpi (magneti) sono
capaci di attrarsi o respingersi
con interazioni molto più intense
di quelle gravitazionali, senza
manifestare alcuna carica
elettrica, nonché di attrarre e
rendere simili a sé altri oggetti.
Quest’ultimo fenomeno è detto
magnetizzazione: avviene per
induzione, contatto o strofinio,
e può avere carattere
temporaneo o permanente.
1)
Magnetizzazione per contatto
Avviciniamo a un magnete una graffetta:
questa viene attratta e si “attacca” al
magnete, acquisendo a sua volta la
capacità di attrarre altre graffette.
Quando però stacchiamo il magnete dalla
prima graffetta…
(magnetizzazione temporanea!)
NB: non tutti i metalli vengono attratti
dalle calamite. Proviamo con le
monetine da 10 eurocent…
Magnetizzazione per induzione
Lasciando un’asticciola di ferro per un certo periodo di
tempo in prossimità di un magnete, l’asticciola
acquisisce proprietà magnetiche, diventando un
magnete artificiale (la magnetite è invece un magnete
naturale, cioè con proprietà magnetiche intrinseche).
Possiamo poi ripetere l’esperimento precedente del magnete e delle
graffette non ponendoli direttamente a contatto, bensì interponendo
del materiale (carta, vetro, alluminio…).
In tal caso non solo verifichiamo l’induzione magnetica, ma possiamo
trarre conclusioni su quali materiali si lasciano “attraversare” dalla
forza magnetica (parleremo di permeabilità magnetica e
classificheremo le sostanze in diamagnetiche, paramagnetiche,
ferromagnetiche).
Magnetizzazione per strofinio
Prendiamo una calamita a barra
e un ago abbastanza grosso:
lo strofiniamo ripetutamente
(almeno 40 volte) nello stesso
verso e per tutta la sua
lunghezza con un’estremità del
magnete.
L’ago diventerà anch’esso un
magnete!
Smagnetizzazione
Prendiamo l’ago magnetizzato artificialmente
nell’esperimento precedente e facciamolo cadere
ripetutamente su una superficie dura: avvicinandolo
ad altri aghi noteremo che avrà perso le sue proprietà
magnetiche.
Gli urti infatti agiscono sulle particelle che compongono
l’ago in modo opposto allo sfregamento della calamita,
come se mettessero in discussione ciò che essa
aveva “riordinato” (capiremo meglio questo fenomeno
parlando delle sostanze ferromagnetiche e
paramagnetiche): la conseguenza è la perdita del
potere magnetico!
DATI SPERIMENTALI NOTEVOLI
2)
La limatura di ferro viene attratta solo
dalle estremità del magnete e non dalle
sue zone intermedie.
Tali estremità, dette poli magnetici,
interagiscono tra loro. Poiché tali
interazioni sono solo di natura attrattiva
o repulsiva, si deduce che esistono solo
due tipi di polarità magnetica, che
convenzionalmente indichiamo con i
nomi di polo nord e polo sud.
Questa nomenclatura ha ovviamente a che fare con il fenomeno del
magnetismo terrestre che affronteremo in seguito.
DATI SPERIMENTALI NOTEVOLI
3)
Provando a spezzare un
magnete, nel vano tentativo
di separare i due poli, si
ottengono invece altri due
magneti, ciascuno con
entrambe le polarità...
CAMPO MAGNETICO
Conosciamo già il concetto di campo. È
evidente che anche i magneti, come le
cariche elettriche, “modificano” lo
spazio che li circonda.
Per capire come, utilizziamo un ago
magnetico di prova, libero di ruotare
attorno al suo baricentro:
la posizione assunta dall’ago indicherà
direzione e verso del campo
magnetico del punto in cui viene posto,
per convenzione orientato da polo sud
a polo nord.
CAMPO MAGNETICO
Come per il campo elettrico, dunque,
anche per il campo magnetico è
possibile tracciare le linee di forza.
Si tratta di linee (immaginarie) in ogni
punto delle quali l'ago magnetico
che usiamo per "esplorare" il
campo si dispone in modo
tangente.
N.B. Siccome non è possibile, per il
campo magnetico, isolare il nord
dal sud, le linee di forza del
campo magnetico saranno
sempre chiuse.
Dunque la direzione del campo magnetico in un punto
del campo è la retta tangente alla linea di forza
passante per quel punto, il verso è dato dalla freccia
(indicato dal nord dell'ago magnetico) e l'intensità
misura la "grandezza" della forza magnetica esercitata
dal campo sull'ago (a maggiore intensità si fa
corrispondere un numero maggiore di linee di forza).
CAMPO MAGNETICO
Se poniamo della limatura di ferro nelle
vicinanze di una calamita (per esempio a
forma di ferro di cavallo), le linee di forza
del campo magnetico vengono visualizzate
in modo suggestivo in quanto la limatura di
ferro tende a disporsi lungo le suddette.
La forma e la dimensione di una calamita
influenzano la sua potenza: le calamite a
ferro di cavallo sono più potenti di quelle a
barra, che a loro volta sono più potenti di
quelle rotonde.
Tra due calamite della stessa forma è più
potente quella più grande.
CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE
Nel 1846 Faraday scoprì che un campione di bismuto
avvicinato ad un magnete veniva da esso debolmente
respinto. Questo comportamento anomalo si verificava
anche con argento, rame, mercurio e acqua. Faraday
chiamò diamagnetiche tutte queste sostanze.
Le sostanze diamagnetiche hanno atomi e molecole prive
di un momento proprio di dipolo magnetico in quanto gli
effetti magnetici di tutti i moti degli elettroni si annullano.
CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE
Il diamagnetismo è una forma di magnetismo che alcune sostanze
mostrano solo in presenza di campi magnetici, polarizzandosi in senso
opposto al campo applicato (e indebolendo dunque il campo
magnetico).
I materiali diamagnetici sono dunque sostanze che vengono
debolmente respinte da un campo magnetico.
Levitazione magnetica di un piccolo magnete su
pezzi di materiale superconduttore ceramico.
(effetto Meissner: “diamagnetismo perfetto”)
Le sostanze che hanno comportamento diamagnetico sono,
nell'esperienza comune, "non magnetiche" come l'acqua, l’idrogeno,
l’azoto, la maggior parte delle sostanze organiche (DNA, oli, plastiche)
e alcuni metalli come il mercurio, la grafite, l'oro, il rame, l'argento.
CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE
Il paramagnetismo è una forma di magnetismo che alcune sostanze
mostrano solo in presenza di campi magnetici, polarizzandosi nello stesso
senso rispetto al campo applicato.
I materiali paramagnetici sono caratterizzati a livello atomico da dipoli
magnetici che si allineano con il campo magnetico applicato,
venendone debolmente attratti.
In particolare il paramagnetismo si osserva in quei materiali le cui
molecole posseggono un momento di dipolo magnetico proprio, come
l'aria e l'alluminio.
Nel caso dell'aria, l'effetto paramagnetico e' a carico della molecola di
ossigeno che possiede doppietti elettronici spaiati degli orbitali esterni
responsabili dell'effetto.
Contrariamente ai materiali ferromagnetici (che pure sono attratti da
campi magnetici), i materiali paramagnetici non conservano la
magnetizzazione in assenza di un campo esterno applicato.
Esempi di sostanze paramagnetiche sono: alluminio, calcio,
ossigeno, platino, sodio, potassio, uranio, magnesio.
CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE
Il ferromagnetismo è la proprietà di alcuni materiali di essere fortemente magnetizzati
anche se non sottoposti ad alcun campo magnetico esterno.
Questa proprietà si mantiene solo al di sotto di una certa temperatura, detta temperatura
di Curie (per il ferro questa temperatura è 768°C), al di sopra della quale il materiale si
comporta come un materiale paramagnetico.
Sono materiali ferromagnetici la magnetite e il ferro (da cui appunto il termine
ferromagnetismo), cobalto, nichel, numerosi metalli di transizione e le loro rispettive leghe.
I materiali ferromagnetici diventano a loro volta dei magneti quando vengono immersi in un
campo magnetico esterno, perché l'effetto del campo magnetico è quello di orientare i
momenti magnetici propri delle molecole parallelamente alla direzione del campo stesso.
Nelle sostanze ferromagnetiche è particolarmente accentuata
la tendenza a "catturare" le linee di campo magnetico, propria
anche delle sostanze paramagnetiche.
Tale fatto viene utilizzato al fine di creare degli schermi
magnetici che rendono lo spazio al loro interno praticamente
insensibile ai campi magnetici esterni.
CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE
Anche nei materiali ferromagnetici gli atomi hanno un momento magnetico non nullo,
ma l’orientamento di questi momenti magnetici non è completamente casuale.
Infatti fra gli atomi vicini del materiale vi è una forte interazione che porta alla
formazione di gruppi di atomi, detti domini magnetici (o domini di Weiss, dal nome del
fisico che nel 1907 ne ipotizzò l’esistenza), all’interno dei quali tutti gli spin sono
allineati tra di loro, ma i diversi domini sono disallineati tra di loro.
Sotto l’azione del campo magnetico i domini che hanno un orientamento magnetico
parallelo alle sue linee di forza tendono a modificare l’orientamento dei domini vicini
allineandoli con il campo magnetico esterno o facendo contrarre tutti i domini il cui
campo magnetico non è allineato con quello esterno (figure C e D).
Si ha quindi un notevole incremento del campo esterno.
Pierre Ernst Weiss
(1865 - 1940)
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Anche in assenza di un magnete si
rileva la presenza di un campo
magnetico: il nostro pianeta si
comporta come un grosso
magnete.
Poiché continua a valere il
principio di sovrapposizione
dei campi, il CMT si combina
con quello dei magneti che
maneggiamo, ma se questi ultimi
sono abbastanza grandi e
potenti l’influenza del CMT è
praticamente trascurabile.
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Nel 1600 il fisico inglese W. Gilbert pubblica il “De
Magnete” (consultabile on line sulla sezione di
Google dedicata ai libri digitalizzati), un’opera nella
quale affermava che “l’intera Terra è un grande
magnete” il cui campo agisce sull’ago della bussola
orientandola in direzione Nord-Sud.
Non tutti i pianeti del sistema solare posseggono un
campo magnetico. Il nostro ci protegge dal
bombardamento delle particelle solari…
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Sono da osservare due fatti interessanti:
 polo nord geografico e polo nord magnetico non
coincidono: la terra genera un campo magnetico
equivalente a quello di una gigantesca barra
magnetica inclinata di circa 11° 30’ rispetto
all’asse di rotazione terrestre.
 le linee di forza entrano nel "terreno"
specialmente alle elevate latitudini (nei due
emisferi).
La differenza tra la direzione del polo geografico e
quella del polo magnetico è definita
declinazione magnetica.
Se l'ago ha la possibilità di ruotare anche sul piano
verticale, si dispone orizzontalmente solo
all'equatore ed è in posizione verticale se lo si
pone ai poli magnetici. Nelle altre località forma
un angolo con il piano orizzontale detto
inclinazione magnetica.
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Quest’ultimo fatto può essere verificato sperimentalmente con
una bussola il cui ago sia libero di muoversi anche verso il
basso (non solo lateralmente).
Con una bussola di questo tipo, si verifica che l'ago punta verso
il terreno con un certo angolo (oltre che indicare il nord): l'ago
magnetizzato con polarità nord punterà verso il terreno e l'altro
verso il cielo. L'angolo che si formerà con l'orizzontale
rappresenta l'inclinazione magnetica.
L'angolo di inclinazione magnetica varia man mano che ci si
sposta dalla nostra latitudine. In particolare, muovendoci verso
nord l'inclinazione aumenta fino ad essere uguale a 90° (ago
perfettamente perpendicolare al terreno) in corrispondenza del
polo nord magnetico, mentre muovendoci verso sud
l'inclinazione diminuisce fino a divenire nulla (ago parallelo al
terreno) in corrispondenza dell'equatore magnetico. Alle nostre
latitudini l'inclinazione magnetica è circa pari a 60°.
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Migrazione dei poli
Posizione del polo nord magnetico negli ultimi secoli
Nord magnetico e nord geografico non solo non
coincidono, ma si allontanano o si avvicinano nel
tempo, secondo uno schema non ben definito.
La migrazione dei poli magnetici è monitorata
costantemente da circa un sessantennio attraverso dei
rilievi decennali ma la sua velocità non è regolare.
Attualmente il polo nord magnetico si trova nell'artico
canadese, nei pressi dell'isola di Bathurst e dista circa
1000 km da quello geografico, ma non ci resterà a
lungo.
Gli spostamenti sono tanto sensibili che alcuni
scienziati pensano che tra 50 anni lo si potrà ritrovare
addirittura in Siberia.
Non sono chiari i meccanismi per i quali si abbia questo movimento, probabilmente il campo magnetico terrestre è determinato da un enorme
massa di ferro fuso sotto la superficie (circa 3000 km di profondità) che proprio perché in forma liquida tende a muoversi nel tempo
determinando anche una differente orientazione dei suoi poli come un’enorme calamita.
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
Inversione di polarità
Il campo magnetico non mantiene sempre la medesima
orientazione, ma subisce una inversione di polarità (il
polo nord diventa polo sud e viceversa) mediamente ogni
mezzo milione di anni. Metà, infatti, delle rocce studiate
presenta una magnetizzazione opposta a quella attuale.
I periodi più lunghi, dell'ordine del mezzo milione d'anni,
sono chiamati epoche magnetiche, ognuna col nome di
un famoso scienziato esperto di paleomagnetismo.
Durante le epoche si registrano anche brevi inversioni
dette eventi magnetici, che possono durare dai 50.000 ai
200.000 anni.
Non si conosce la causa di questa inversione, né se
avviene istantaneamente o si ha una diminuzione
progressiva dell'intensità del campo per poi aumentare in
direzione opposta.