Magnetismo - Scuola Bottega Artigiani di San Polo

Magnetismo
Le linee di forza di un campo magnetico generato da una calamita (evidenziate cospargendo della limatura di ferro su
un foglio di carta appoggiato alla calamita).
Il magnetismo è quel fenomeno fisico, per cui alcuni materiali sono in grado di attrarre
il ferro nonché trasmettere tale capacità ad altri materiali.
Per estensione semantica, il magnetismo è anche la branca della fisica concernente il
suddetto fenomeno. In particolare per fenomeni stazionari, ovvero non variabili nel tempo,
si parla più specificatamente di magnetostatica (che presenta alcune analogie formali con
l'elettrostatica allorché si sostituiscano alle distribuzioni di carica elettrica le densità
di corrente elettrica). Per fenomeni dipendenti dal tempo invece i campi
elettrici e magnetici si influenzano a vicenda ed è necessario ricorrere ad una descrizione
unificata dei due campi ottenuta nel 1864 dallo scienziato britannico James Clerk
Maxwell all'interno della teoria dell'elettromagnetismo classico ovvero l'elettrodinamica
classica.
CENNI STORICI
Frontespizio del De Magnete diWilliam Gilbert.
L'esistenza di un magnetismo naturale era noto già agli antichi greci (V - VI secolo a.C.),
ma probabilmente ancora precedentemente era stato scoperto nell'antica Cina dove, si
dice, fosse in uso un rudimentale prototipo di bussola magnetica.
Pare che Archimede (287-212 a.C.) abbia cercato di magnetizzare le spade dell'esercito
siracusano al fine di disarmare più facilmente i nemici.[1]
Plinio il Vecchio (23-79 d.C.) attribuisce l'etimologia del termine "magnete" ad un pastore
cretese di nome "Magnes", il quale scoprì casualmente le proprietà
della magnetite appoggiandovi sopra il suo bastone con la punta in ferro.[1]
Quello che è certo, comunque, è che gli antichi avevano scoperto la capacità di alcuni
minerali (ad esempio la magnetite) di attrarre la limatura diferro o piccoli oggetti ferrosi.
Allo stesso modo, Tito Lucrezio Caro (99 a.C. - 55 a.C.) nel De rerum natura racconta un
curioso esperimento elettromagnetico osservato a Samotracia (VI, 1042 - 1048):
«Avviene anche, talora, che da questa pietra s'allontani la natura del ferro, solita a fuggirla
e seguirla a vicenda. Ho visto anche sobbalzare anelli ferrei di Samotracia, e limatura di
ferra infuriare entro bronzei bacili, sotto cui fosse stato posto il magnete: tanto il ferro si
mostra impaziente di fuggir dalla pietra. Per il frapporsi del bronzo si crea tanta discordia
[…].»[2]
Questa capacità di esercitare una forza a distanza ha dato fin dagli albori un particolare
significato nei secoli al magnetismo. Tuttora nel XXI secolo si sente ancora talvolta parlare
di forze magnetiche lasciando sottintendere un significato arcano e misterioso.
Il più importante studio medievale sull'argomento è certamente la "epistola de magnete"
di Pietro Peregrino di Maricourt (del 1296),[1] che tra l'altro introduce il concetto e la
terminologia dei due poli (Nord e Sud) della calamita, spiega come determinarne con
precisione la posizione, ne descrive le interazioni reciproche, attrattive e repulsive, e
propone l'esperimento della calamita spezzata.
Nel 1600 apparve il "De magnete" di William Gilbert, che rimase a lungo il testo di
riferimento sul tema del magnetismo.
I primi studi quantitativi sui fenomeni magnetostatici si possono far risalire alla fine
del Settecento - inizio dell'Ottocento ad opera dei francesi Biot e Savart e,
successivamente, di Ampèresempre in Francia.
Poli magnetici
I poli magnetici ("Nord" e "Sud") di una calamita (indicati rispettivamente con le lettere "N" e "S").
Analogamente al caso elettrostatico anche nel magnetismo si individuano due sorgenti di
campo di natura opposta che vengono convenzionalmente definiti poli. Usando come
magnete di riferimento la Terra si parlerà allora di polo nord e sud, in particolare il polo
nord geografico corrisponde grossomodo al polo sud magnetico e viceversa.
Una proprietà interessante dei magneti naturali è che essi presentano sempre sia un polo
nord che un polo sud. Se si divide in due parti un magnete, tentando di "separarne" i due
poli, si ottengono due magneti del tutto simili (ciascuno con una coppia di poli opposti).
Poiché il processo può concettualmente proseguire all'infinito è ipotizzabile che il
magnetismo naturale abbia origine nelle proprietà atomiche della materia. Considerando
infatti ogni elettrone orbitale come una microscopica spira percorsa da corrente e tenendo
anche conto del momento di spin si può intuire che collettivamente questi possano
contribuire, in un mezzo materiale, a presentare un campo magnetico macroscopicamente
osservabile. In realtà occorre tenere conto del fatto che i moti di agitazione termica
tendono, in generale, a disporre casualmente tutti questi microscopici dipoli magnetici,
così che normalmente l'effetto magnetico complessivo è nullo. Solo in taluni minerali,
i magneti naturali, i micromagnetini magnetici si autodispongonosecondo direzioni comuni
formando su scala macroscopica le cosiddette regioni o domini di Weiss con dipoli tutti
alline angolanti.
Inoltre i magneti hanno un'importante proprietà: non sarà mai possibile dividere
fisicamente i due poli perché da questa divisione nasceranno altri due magneti, con un
totale quindi di quattro poli.
Monopoli magnetici liberi
I monopoli magnetici liberi, a tutt'oggi, non sono mai stati osservati sperimentalmente. Ciò
conferisce una particolare proprietà alle linee di forza del campo magnetico: esse sono
sempre chiuse e il flusso del campo attraverso qualsiasi superficie chiusa è nullo. Si può
dimostrare che da ciò discende che il campo magnetico ha il medesimo flusso attraverso
tutte le superfici che si appoggiano alla medesima curva chiusa. Un campo vettoriale con
questa interessante proprietà è detto anche solenoidale.
Nel settembre 2009 tuttavia, è stato isolato in una struttura molecolare cristallina, un
quasi-monopolo magnetico.[3]
Unità di misura
Nel Sistema Internazionale l'unità di misura del campo induzione magnetica B è
il tesla (simbolo T), mentre per il campo magnetico H si usa l'ampere/metro (A/m). È
invalso l'uso anche delsistema cgs in cui l'intensità del campo magnetico si misura
in oersted ed il campo densità di flusso magnetico si misura in gauss.
Magnetismo terrestre
Particolarmente rilevante è l'esistenza di un magnetismo terrestre. Il
nostro pianeta presenta infatti un debole magnetismo (circa 0,5 gauss) con distribuzione
del campo grosso modo equivalente a quella generata da un dipolo magnetico disposto
lungo la direttrice Polo Nord - Polo Sud lentamente variabile nel tempo. Il Polo Nord
magnetico è spostato di circa 1.000 km da quello geografico e si trova attualmente in
territorio canadese. La definizione di poli nord e sud è legata alla proprietà di un ago
magnetico libero di ruotare senza attriti attorno al suo baricentro di disporsi lungo le linee
del suddetto campo di forze. Pertanto definendo il polo magnetico tipo "nord" quello
dell'ago della bussola che si rivolge a Nord ne segue che il polo Nord terrestre è in realta'
un polo Sud magnetico e viceversa.