Un po’ di storia…
Il magnetismo, con il suo misterioso potere a distanza, ha sempre suscitato la curiosità degli uomini antichi fino a
tutto il Medioevo, ed è stato spesso associato a pratiche magiche e mistiche, similmente peraltro ai fenomeni
elettrici. Ancora oggi, si trovano in commercio “magneti terapeutici” con presunte capacità di migliorare l’ umore e
produrre un generale benessere, incorporati in fasce elastiche così come in bracciali, collane, anelli etc. Gli effetti
del magnetismo erano noti agli antichi greci già nel V–VI secolo a.C., molto probabilmente anche prima di tale data
in Cina già si faceva uso di un prototipo di bussola,e già intorno al 2500 a.C. in Cina e in India si conoscevano
fenomeni magnetici.Plinio il Vecchio, nel suo Historiae Naturalis, fa risalire il termine “magnetismo” al pastore
cretese Magnes che scoprì gli effetti di attrazione e repulsione di alcune pietre con la punta metallica del suo
bastone. Tali pietre contenevano magnetite, un minerale con struttura a spinello dalle proprietà magnetiche
naturali.Anche le proprietà di induzione magnetica erano conosciute dall’antichità, la capacità di rendere
magnetico un oggetto di ferro messo a contatto con un magnete permanente attirò l’attenzione di Archimede
(287-212 a.C.) che cercò di magnetizzare le spade dell’esercito di Siracusa, affinché i suoi soldati riuscissero a
disarmare meglio i propri avversari. Per lungo tempo i fenomeni magnetici sono stati associati al mondo
dell’animismo e della superstizione, con interpretazioni più filosofiche che scientifiche, durante tutto il medioevo
tali considerazioni divennero anche base di applicazioni in campo medico. Il più importante studio medievale
sull'argomento è certamente la "epistola de magnete" di Pietro Peregrino di Maricourt (del 1296), che tra
introdusse il concetto e la terminologia dei due poli (Nord e Sud) della calamita. Solo intorno al 1600 circa si
incominciò ad inquadrare l’argomento in modo veramente scientifico. Il padre del magnetismo moderno può
essere riconosciuto in William Gilbert (1544-1603), che con la sua opera “De Magnete”, espresse la convinzione
che le forze elettriche e quelle magnetiche fossero correlate, avanzando così per primo la teoria
dell’elettromagnetismo.
Il fisico danese Hans Cristian Oersted nel Settecento studiò le interazioni tra correnti elettriche e
magnetiche, ottenute misurando come la corrente elettrica influenzi la rotazione dell’ago di una
bussola. Successivamente Il chimico-fisico-matematico , francese autodidatta, Andrè Marie Ampere
(1775-1836) dopo appena una settimana dall’ aver ascoltato una conferenza di Oersted a Copenhagen
, sperimentò che correnti parallele si attraggono l’ un l’ altra, come se fossero magnetizzate. Ampere
formulò matematicamente le sue scoperte sulla elettrodinamica; in suo onore la unità di misura della
corrente elettrica venne chiamata “Ampere”. Michael Faraday dopo aver aver studiato le interazioni
magnetiche di molte sostanze e scoperto che tutte quante sono più o meno sono attratte (sostanze
Paramagnetiche e Ferromagnetiche) o respinte (sostanze Diamagnetiche) da un magnete permanente
( Sostanza Ferrimagnetica), formulò il concetto di “linee di forza di un campo elettromagnetico".
Oggi sappiamo che il magnetismo è dovuto alle proprietà e ai
moti dell’elettrone all’interno di atomi e molecole e che una sua
completa spiegazione è possibile solo nell’ambito di una teoria
fisica estremamente complessa, la meccanica quantistica.
LA SPIRA
Prima di introdurre le proprietà magnetiche della materia, è necessario definire la
spira.
Una spira è un anello di materiale conduttore in grado di far circolare corrente su
di sé. Sotto opportune ipotesi, una spira e un ago magnetico (o un magnete in
generale) si comportano allo stesso modo, cioè:
1. producono lo stesso campo magnetico B
2. posti in uno stesso campo B, subiscono la stessa azione meccanica.
MOMENTO TORCENTE SU UNA SPIRA
Su una spira percorsa da una corrente I e immersa in un
campo magnetico B uniforme agiste un momento torcente:
M=IAxB=IABsenα
A= vettore area della spira
L’unità di misura Newton/metro
Momento magnetico della spira
Il momento torcente su una spira dipende dal prodotto IA. Il
comportamento delle spire pertanto dalla grandezza caratteristica
detta momento magnetico m definito come:
m=IA
L’unità di misura del momento magnetico è ampere· metro²
In termini di momento magnetico, il momento torcente di una spira è:
M=mxB
Le proprietà magnetiche della
materia
Le proprietà magnetiche dei materiali possono essere evidenziate ponendo piccoli
campioni in un campo magnetico molto intenso e non uniforme. Si osservano tre
comportamenti distinti:
Diamagnetismo
Paramagnetismo
Ferromagnetismo
Diamagnetismo
I materiali in cui il diamagnetismo si manifesta in maniera rilevante sono
detti materiali diamagnetici, e sono caratterizzati dal fatto che la
magnetizzazione ha verso opposto rispetto al campo magnetico, e quindi
sono soggetti ad una forza di repulsione che tende a spostarli verso la zona in
cui il campo magnetico è meno intenso.
Si avrebbe lo stesso effetto nel caso di una spira con un momento magnetico
m in verso opposto a quello del campo magnetico B o di un dipolo magnetico
con i poli invertiti rispetto a quelli del campo B.
Nel 1778 S. J. Brugmans per primo osservò che il bismuto e l'antimonio
erano respinti dai campi magnetici. Tuttavia il termine diamagnetismo fu
coniato dal Michael Faraday nel settembre 1845, quando scoprì che tutti i
materiali in natura possiedono una componente diamagnetica in risposta a
un campo magnetico esterno applicato.
Altre sostanze che presentano un comportamento diamagnetico sono:
l’acqua, l’argento e il rame.
Il diamagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole non posseggono un momento
di dipolo magnetico proprio. La relazione lineare tra i due vettori M
( vettore
magnetizzazione ) e B0:
M=xᴍ·B0
Dove xᴍ è la suscettività magnetica (costante di proporzionalità che quantifica il grado di
magnetizzazione del materiali).
B0 è il modulo del campo magnetico esterno applicato alla sostanza
La teoria per la descrizione del diamagnetismo fu proposta nel 1905 da Paul Langevin.
L’azione di un campo magnetico sugli elettroni orbitanti attorno al nucleo atomico
determina un moto di precessione antiorario del vettore momento angolare degli
elettroni attorno alla direzione del campo magnetico (precessione di Larmor). Al moto di
precessione corrisponde una corrente che circola in senso antiorario attorno alla direzione
del campo magnetico e che genera, di conseguenza, un momento magnetico diretto in
verso opposto rispetto al campo.
Nei materiali diamagnetici la permeabilità magnetica relativa μr è minore o uguale a 1, e
pertanto la suscettività magnetica xᴍ=μr - 1 è una costante negativa, questo spiega perché
i materiali diamagnetici sono "respinti" dal campo magnetico, cioè M e B0 hanno verso
opposto.
La permeabilità magnetica
relativa
Consideriamo un campione di materia immerso in un campo magnetico
B0. la forza di cui esso risente è dovuta all’interazione fra B0 ed il campo
magnetico Bm che si crea al suo interno per effetto di B0.
Il campo magnetico totale B è la loro somma vettoriale.
B= B0 + Bm
Si può anche dire che:
B= B0 μr
μr è la permeabilità magnetica relativa della sostanza ed è un numero
privo di dimensioni.
Nelle sostanze diamagnetiche il campo Bm :
Si origina solo quando è presente il campo B0
Ha verso opposto a B0
Ha intensità piccola e proporzionale a B0
B0
B
Bm
Paramagnetismo
Il paramagnetismo è una forma di magnetismo che alcuni materiali
mostrano solo in presenza di campi magnetici, in particolare il
paramagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole
posseggono un momento di dipolo magnetico proprio. I materiali
paramagnetici non conservano la magnetizzazione in assenza di un
campo esterno applicato.
La relazione che lega i vettori M e B0 è lineare:
M = Xm·B0
Dove M è la Magnetizzazione del materiale, B0 è il campo
magnetico che investe il materiale e Xm è la suscettività magnetica
che per materiali paramagnetici è un numero puro positivo
inversamente proporzionale alla temperatura.
Su un materiale paramagnetico agisce una debolissima forza attrattiva che
tende a spostarlo verso la zona in cui il campo magnetico esterno è più
intenso.
Le sostanze che hanno questa caratteristica sono:
I. Alluminio
II. Magnesio
III. Tungsteno
IV. Ossigeno
V. Calcio
VI. Platino
VII. Uranio
VIII. Bario
Si presenta lo stesso effetto nel caso di una spira con momento magnetico m
avente lo stesso verso del campo B o di un dipolo magnetico con i poli disposti
nello stesso modo del campo B.
Nelle sostanze paramagnetiche il campo Bm:
Si origina solo quando è presente il campo B0
Ha il verso di B0
Ha intensità piccola e proporzionale a B0
Bm
B
Solenoide
Un solenoide è una bobina di
forma cilindrica formata da una
serie di spire circolari molto vicine
fra loro e realizzate con un unico
filo di materiale conduttore.
Ferromagnetismo
Il ferromagnetismo è la proprietà di alcuni materiali, detti materiali ferromagnetici, di
magnetizzarsi molto intensamente sotto l'azione di un campo magnetico esterno e di
restare a lungo magnetizzati quando il campo si annulla, diventando così magneti.
Questa proprietà si mantiene solo al di sotto di una certa temperatura, detta
temperatura di Curie, al di sopra della quale il materiale si comporta come un
materiale paramagnetico.
Pierre Curie fu il primo a scoprire che esiste una temperatura critica per ogni
materiale ferromagnetico al di sopra della quale il materiale si comporta come
paramagnetico. La suscettività magnetica segue la legge di Curie-Weiss:
dove C è una costante caratteristica del materiale, ρ è la densità e Tc la temperatura di
Curie in kelvin.
Sul campione di materiale ferromagnetico agisce una forza attrattiva molto grande,
che tende a spostarlo verso la zona in cui il campo magnetico è più intenso.
Hanno questa caratteristica: il ferro, il cobalto, il nichel e le loro leghe.
Isteresi magnetica
La permeabilità magnetica delle sostanze ferromagnetiche è molto elevata, ma
non ha un valore costante perché il campo Bm non è proporzionale al campo B0
e dipende dalle magnetizzazioni avvenute in precedenza. Per studiare questo
effetto si utilizza un solenoide all’interno del quale è posto un cilindro di
materiale ferromagnetico che non è stato magnetizzato. Variando la corrente
nel solenoide, si modifica il campo B0 e si registra un campo totale B.
1. Inizialmente il cilindro non è magnetizzato: all’aumentare della corrente nel
solenoide il campo B cresce fino a raggiungere un valore massimo (P). Un
ulteriore aumento di B0 non provoca un aumento del campo magnetico Bm
che ha origine nel materiale.
2. Diminuendo l’intensità di corrente nel solenoide il campo B diminuisce.
Quando il campo del solenoide si annulla, il campo totale mantiene un
valore Bres non nullo : il cilindro ha mantenuto una magnetizzazione residua
ed è diventato un magnete. Questo fenomeno è detto isteresi.
L'isteresi è la caratteristica di un sistema di reagire in ritardo alle sollecitazioni
applicate e in dipendenza dello stato precedente.
Per annullare la magnetizzazione del cilindro si deve invertire il
senso della corrente nel solenoide in modo da creare un campo
inverso e opposto al precedente. Se si aumenta ulteriormente la
corrente invertita (si considera il valore assoluto) si raggiunge
presto la saturazione del campo magnetico nel verso opposto. A
questo punto diminuire la corrente produce una magnetizzazione
residua di segno negativo per cancellare la quale è necessario far
scorrere una certa quantità di corrente nel verso iniziale.
Aumentando ancora la corrente si ritorna nello stato di
saturazione, chiudendo così quello che viene chiamato ciclo di
isteresi.
Elettromagnete
Il valore massimo della permeabilità relativa dei materiali
ferromagnetici può essere molto elevato, questo permette
di costruire calamite molto potenti dette elettromagneti. Un
elettromagnete è formato da un solenoide avvolto attorno
ad un nucleo di materiale ferromagnetico che amplifica di
centinaia di volte l’intensità del campo prodotta dalla sola
corrente del solenoide.
I domini di Weiss
Nelle sostanze ferromagnetiche, i momenti
magnetici degli atomi sono molto intensi e danno
luogo ad allineamenti tra atomi adiacenti che
formano regioni microscopiche, dette domini di
Weiss, in cui il campo magnetico locale è piuttosto
forte. Questi domini sono orientati in modo casuale
e formano un campo magnetico totale poco intenso.
In presenza di un campo esterno B0 questi domini
tendono ad orientarsi lungo la direzione di B0 e
generano un campo magnetico totale molto più
intenso di B0. quando il campo esterno viene meno,
nel materiale rimane una magnetizzazione residua
dovuta al parziale allineamento dei domini al suo
interno, che mantengono il loro legame anche in
presenza dell’agitazione termica. L’innalzamento
della temperatura provoca un aumento dell’energia
di questi moti casuali che riescono a distruggere
l’ordine dei domini quando viene superata la
temperatura di Curie del materiale. La
magnetizzazione residua si annulla.
