Già gli antichi greci conoscevano la capacità che
hanno alcuni minerali di attrarre il ferro come la
magnetite
Giacimenti di questo minerale furono scoperti in
Magnesia, una zona dell’asia minore (dalla località e
derivato il nome del minerale)
La magnetite si distingueva dall’ambra perché mentre
la prima andava attivata per strofinio la seconda
manifestava la sua proprietà senza altre azioni
Un pezzo di materiale che è dotato di magnetismo si
chiama magnete o calamita.
La calamita possiede alcune proprietà:
1. È attiva solo sulle estremità
2. Se sospesa si orienta secondo una direzione ben precisa
3. Le estremità della calamita formano due poli opposti N
(nord) e S (sud)
4. Se prendiamo due calamite e le orientiamo in modo da
avere sue poli contrapposti queste si attraggono
5. Se prendiamo due calamite e le orientiamo in modo da
avere sue poli uguali queste si respingono
6. Se rompiamo una calamita si rigenerano nuovamente i
due poli
La prima trattazione scientifica del magnetismo risale al
1600 per opera di William Gilbert con la pubblicazione
del suo De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de
Magno Magnete Tellure Physiologia Nova
In questa opera descrive numerosi esperimenti eseguiti su
di un modello del campo magnetico terrestre ricostruito
in laboratorio.
Da questi esperimenti conclude che il campo magnetico
terrestre è esso stesso originato da un magnete ed è la
causa del comportamento delle bussole.
Abbiamo detto che se dividiamo una calamita otteniamo
ancora una calamita con i poli N e S
Se ripetiamo questo esperimento numerosissime volte
otteniamo sempre una calamita con un polo N e S
Proseguendo si arriverà ad un elemento piccolissimo
detto magnete elementare
Una calamita può dunque essere considerata come una
serie di magneti elementari allineati in modo da avere il
polo N di uno allineato al polo S dell’altro
In questo modo le proprietà magnetiche si manifestano
solo agli estremi
Tutti i materiali che possono essere attratti dalla calamita
sono chiamati ferromagnetici
Questi materiali in genere appartengono alla categoria
degli elementi di transizione.
Ferro, nichel e cobalto costituiscono dei tipici materiali
ferromagnetici
Questi materiali hanno anch’essi magnetini elementari ma
a differenza di quelli della calamita non sono allineati ma
puntano in tutte le direzioni perciò il magnetismo
risultante è nullo
In molti casi i magneti elementari non sono altro che gli
atomi
Le proprietà magnetiche delle calamite e la posizione dei
poli sono date dall'orientamento degli atomi del metallo,
ciascuno dei quali possiede sue proprietà magnetiche.
Intorno ad un oggetto, le forze magnetiche:
Si manifestano quando i suoi atomi tendono ad essere
tutti orientati in modo uniforme
Si cancellano l'una con l'altra quando l'orientamento è del
tutto casuale.
Tutti
i materiali ferromagnetici possono essere
trasformati in calamite se sottoposti a processi che
allineano i loro magnetini elementari
Alcune sostanze, come l’acciaio, una volta magnetizzate
mantengono la magnetizzazione.
Questo si verifica perché i loro magnetini hanno difficoltà
ad allinearsi tuttavia, una volta costretti ad assumere
questa configurazione, per la stessa difficoltà essi tendono
a mantenerla
Questi materiali prendono il nome di magneti artificiali
permanenti
Alcuni materiali ferromagnetici, come il ferro dolce, hanno
i magnetini che si allineano facilmente perciò, una volta
toccati dal polo di una calamita, i loro magnetini si
allineano diventando un magnete a tutti gli effetti.
Una volta perso il contatto con la calamita i magnetini
riacquistano il loro orientamento casuale e il materiale
perde le sue proprietà magnetiche.
Questo tipo di magnete prende il nome di magnete
artificiale temporaneo.
La magnetizzazione si può ottenere in tre modi:
Per strofinio: si produce strofinando, sempre nello stesso
senso, il materiale da magnetizzare sullo stesso polo di una
calamita.
2. Per contatto: si produce mettendo il materiale da
magnetizzare a contatto con la calamita
3. Per induzione: si ottiene avvicinando il materiale da
magnetizzare a una calamita.
4. Per Passaggio di corrente: come vedremo in seguito si
può ottenere la magnetizzazione inserendo una barra di
acciaio all'interno si un solenoide in cui circola corrente
1.
La presenza di una calamita modifica lo spazio circostante
generando un campo magnetico
Possiamo indagare questo campo utilizzando l’ago di una
bussola e vedere come questo si orienta spostandolo
all’interno del campo
In questo modo si può vedere che gli aghi si dispongono
secondo un insieme di linee che unisce un polo all'altro
Queste linee, che si accentrano ai poli, sono dette linee di
forza del campo magnetico ed il loro andamento serve
bene a descrivere il campo generato da una calamità.
L'andamento delle linee di forza del campo magnetico
può anche essere visualizzato facendo cadere della
limatura di ferro su un foglio di carta posto sopra al
magnete
Pur trattandosi di una situazione che visualizza
perfettamente le linee del campo non abbiamo nessuna
informazione sul verso delle linee, cioè su quali siano il
polo nord e quello sud del magnete
Come abbiamo visto lo studio del campo magneti della
Terra riassale al 1600
Come un magnete la Terra modifica lo spazio circostante
generando un campo magnetico detto campo magnetico
terrestre
I poli magnetici della Terra sono spostati rispetto ai poli
geografici e con questi formano un angolo detto
declinazione magnetica
Inoltre la direzione del campo magnetico forma un certo
angolo i con l’orizzontale detto inclinazione magnetica
La bussola è formata da un ago magnetizzato libero di
ruotare
Questo si dispone esattamente mungo la direzione N – S
del campo magnetico terrestre che attualmente è
spostato di 11° ca. rispetto ai poli geografici veri
L’ago ruota su un disegno che indica la Rosa dei Venti
Nell’emisfero settentrionale l’inclinazione magnetica
tende a spingere l’ago verso il basso perciò le bussole
sono fatte in modo che il polo nord dell’ago magnetico
sia più pesante di quello sud in moco che l’ago si
mantenga in orizzontale.
Abbiamo già sto un esempio di elettromagnetismo
quando abbiamo visto la magnetizzazione di una sbarra di
acciaio col solenoide.
Il solenoide non è altro che una spira fatta di una
materiale conduttore (es. rame) in cui passa la corrente
elettrica.
Ma perché la sbarra di acciaio si magnetizza?
Perché il flusso ci corrente elettrica nel solenoide genera
un campo magnetico diretto lungo l’asse del solenoide.
Allo stesso modo il moto si un conduttore all’interno di
un magnete genera corrente elettrica come nella dinamo
della bicicletta.
Il fatto che magnetismo ed elettricità, una volta
considerati due fenomeni distinti e ora considerati due
aspetti di un unico fenomeno è stata una della grandi
conquiste della fisica del XIX secolo
A questo hanno dapprima contribuito due scienziati come
Faraday e Oersted
Ma la scienziato che ha formalizzato, cioè tradotto questi
fatti in formule fu Maxwell le cui leggi figurano in tutti i
testi di fisica
È un apparecchio, azionato dalla corrente elettrica, capace
di produrre campi magnetici anche assai intensi.
Esso è costituito da una sbarra di ferro dolce o di ferro al
cobalto detta nucleo, su cui è avvolto un rocchetto di filo
di rame isolato (solenoide), attraverso al quale si manda
una corrente elettrica.
Quando nel solenoide scorre la corrente elettrica il
campo magnetico generato allinea i magnetini elementari
della lega ferrocobalto e si produce un magnete
temporaneo che durerà fintanto che nel filo scorre
corrente elettrica
Fu Faraday a scoprire il fenomeno complementare a
quello di Ostred
Se muoviamo rapidamente su e giu una calamita
all’interno di un solenoide collegato ad una lampadina
vediamo che questa si accende
Se invece questa rimane ferma non succede nulla
È chiaro che la corrente è creata dal movimento di una
calamita
È il moto dalla calamita che genera un campo magnetico
variabile a creare corrente indotta
Il Levitron è un giocattolo scientifico che sfrutta il
fenomeno della lievitazione magnetica
Il principio alla base della levitazione magnetica è la
repulsione
dei
poli
magnetici
omologhi:
avvicinando due poli nord oppure due poli sud, questi si
respingono tra loro
Questa repulsione può essere sufficiente a vincere la
forza di gravità per cui l’oggetto (la trottola in questo
caso) galleggia in aria
La rotazione della trottola funge da giroscopio che
stabilizza ulteriormente la rotazione
Ma il nucleo della Terra è fatto di magnetite o un minerale
magnetico?
Per capire questo occorre ragionare sulla temperatura del
nucleo terrestre.
Tutti i dati geofisici concordano nell’attribuire al nucleo
terrestre temperature di 3800° C per il nucleo esterno e
5400° C per il nucleo interno
I materiali magnetici sono solidi e si potrebbe pensare
che a quelle temperature poca roba possa rimanere
solida in realtà non è così.
Evidenze geofisiche, di cui abbiamo già discusso nei
capitoli precedenti, ci dicono che il nucleo esterno si
comporta come un liquido mentre quello interno è solido
Ma alla temperatura di oltre 5000° C un materiale può
mantenere le sue proprietà magnetiche?
Noi abbiamo visto che il magnetismo di un materiale è
assicurato dall’allineamento dei magentini elementari
(domini magnetici)
Ma ricordiamo che cosa è la temperatura a livello
molecolare?
Essa non è altro che la misura dell’agitazione termica
delle molecole che tenderanno a distruggere
l’allineamento necessario per garantire le proprietà
magnetiche
Studi teorici ed esperimenti hanno dimostrato che sopra i
700° C (temperatura di Curie) la temperatura è
sufficiente a distruggere l’allineamento dei magnetini
elementari.
Al centro della Terra non c’è un gigantesco magnete come
pensava Gilbert
Dobbiamo ridere di lui per la sua ingenuità?
Assolutamente no! La sua ipotesi era stata suffragata dai
fatti, la bussola si comportava esattamente come se al
centro della Terra ci fosse un magnete perciò la sua non
era un ipotesi campata in aria ma vera teoria scientifica.
Sono stati necessari 3 secoli di studi per dimostrare che
era falsa
L’origine del campo magnetico terrestre va ricercata nel
nucleo esterno
Questo nucleo si comporta come un liquido formato da ferronichel ruotante intorno al centro della terra
Noi sappiamo che a 3800° C gli atomi non sono neutri ma si
trovano allo stato ionizzato perciò sono portatori di cariche
elettriche
Cariche elettriche in movimento rotatori generano una
corrente elettriche che a sua volta genera un campo
magnetico.
Nel 1949 Edward Crisp Bullard pose tale dinamo nel nucleo
esterno come responsabile del campo magnetico nucleare
