Cap. 10 Il Magnetismo
10.1 La Magnetite
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 (fig. 1)
10.2 Il magnetismo
Per magnetismo si intende la proprietà che hanno particolari sostanze naturali
o artificiali) di attirare dei pezzettini di ferro.
10.3 La calamita
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 (fig.2)
6. Se rompiamo una calamita si rigenerano nuovamente i due poli (fig. 3)
10.4 William Gilbert
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. (fig. 4)
10.5 Il concetto di magnete elementare
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. (fig. 5)
10.6 I materiali ferromagnetici
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. (fig. 6)
10.7 Magneti elementari e atomo
In molti casi i magneti elementari non sono altro che gli atomi o gruppi di atomi
detti domini. Le proprietà magnetiche delle calamite e la posizione dei poli sono
date dall'orientamento di questi domini nel metallo, ciascuno dei quali possiede
sue proprietà magnetiche.
Intorno ad un oggetto ferromagnetico, 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.
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
10.8 Magnetismo artificiale permanente
Tutti i materiali ferromagnetici possono essere trasformati in calamite se Fig. 9
sottoposti a processi che allineano i loro domini magnetici (fig. 7)
Alcune sostanze, come l’acciaio, una volta magnetizzate mantengono la
magnetizzazione. Questo si verifica perché i loro domini 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
10.9 Magnetismo artificiale temporaneo
Alcuni materiali ferromagnetici, come il ferro dolce, hanno i magnetini che si
allineano facilmente perciò, una volta toccati dal polo di una calamita diventano
un magnete a tutti gli effetti. Tuttavia, una volta perso questo contatto i domini Fig. 10
magnetici riacquistano il loro orientamento casuale e il materiale perde le sue
proprietà magnetiche. Questo tipo di magnete prende il nome di magnete
artificiale temporaneo. (fig. 8)
10.10 La magnetizzazione
La magnetizzazione si può ottenere in quattro modi:
1. Per strofinio: si produce strofinando, sempre nello stesso senso, il
materiale da magnetizzare sullo stesso polo di una calamita. (fig. 9)
2. Per contatto: si produce mettendo il materiale da magnetizzare a
contatto con la calamita (fig.10
3. Per induzione: si ottiene avvicinando il materiale da magnetizzare a
una calamita.(fig. 11)
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 (fig. 12)
Fig. 11
Fig. 12
10.11 Il campo magnetico
La presenza di una calamita modifica lo spazio circostante generando un campo
magnetico (fig. 13)
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 come gli aghi si dispongono secondo un insieme di linee che uniscono un
polo all'altro. Queste linee, che si congiungono 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 (fig. 14)
10.12 Il magnetismo terrestre
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.
10.13 La bussola
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 i punti cardinali. (fig. 15)
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.
10.14 Elettromagnetismo
Abbiamo già visto 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 (fig. 16).
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.(fig. 17)
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 Oersted e Faraday ,
ma la scienziato che ha tradotto questi fatti in formule matematiche, fu Maxwell
le cui leggi figurano in tutti i testi di fisica.
Oersted ha scoperto che il passaggio di una corrente elettrica all’interno di un
conduttore era in grado di deviare l’ago di una bussolo e che quindi generava un
campo magnetico. (Fig. 18)
10.15 L’elettromagnete
L’elettromagnete un apparecchio, azionato dalla corrente elettrica, capace di
produrre campi magnetici anche assai intensi. (fig. 19)
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
Fig. 13
Fig. 14
Fig. 15
Fig. 16
Fig. 17
Fig.18
il campo magnetico generato allinea i domini magnetici della lega ferrocobalto e
si produce un magnete temporaneo che durerà fintanto che nel filo scorre
corrente elettrica.
10.16 L’induzione elettromagnetica
Fu Faraday a scoprire il fenomeno complementare a quello di Ostred. Se
muoviamo rapidamente su e giù 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 che genera un campo magnetico variabile
creando una corrente indotta. (fig. 20)
10.17 Levitron
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. Se questa repulsione è sufficiente a vincere la forza di
gravità l’oggetto (la trottola in questo caso) galleggia in aria.
La rotazione della trottola funge da giroscopio che stabilizza ulteriormente la
l’oggetto ruotante (fig. 21)
10.18 Riflessioni sul magnetismo terrestre
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 domini
magnetici.
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!
10.19 La terra è un elettromagnete
L’origine del campo magnetico terrestre va ricercata nel nucleo esterno. Questo
nucleo si comporta come un liquido formato da ferro-nichel 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 che
essendo in movimento generano correnti elettriche che a loro volta danno
origine a un campo magnetico indotto. (fig. 22)
Nel 1949 Edward Crisp Bullard pose tale dinamo nel nucleo esterno come
responsabile del campo magnetico terrestre.
Fig. 19
Fig. 20
Fig. 21
Fig.22
