Il mistero del magnetismo: dal funzionamento della calamita
alle moderne tecniche di magnetismo ambientale
Aldo Winkler – Istituto Nazionale di Geofisica & Vulcanologia, Roma
Email: [email protected]
Trento, 25 novembre 2009
Sommario
1. Cenni introduttivi sul magnetismo, la magnetizzazione dei corpi, i
minerali magnetici.
2. Lo studio delle proprietà magnetiche: il laboratorio di
paleomagnetismo.
3. Le applicazioni: paleomagnetismo e tettonica, la ricostruzione del
percorso dei continenti nelle ere geologiche.
4. Nuove tecniche di monitoraggio ambientale: misurazioni magnetiche
in relazione all’inquinamento da traffico veicolare.
Come si definisce un campo magnetico
Campo magnetico: è un campo vettoriale, definito come una proprietà di una
regione spaziale in cui ad ogni punto si può associare un vettore il cui effetto
fisico si manifesta come forza di Lorentz (F=qvxB) per una carica elettrica in
movimento oppure come coppia di forze agente su un dipolo magnetico.
Le sorgenti del campo magnetico possono pertanto essere correnti elettriche
oppure dipoli magnetici.
Tradizionalmente, si indica con H il vettore campo magnetico, mentre B viene
denominato vettore induzione magnetica. Tali vettori sono legati dall’operatore
permeabilità magnetica µ.
B =µH;
questa terminologia è utilizzata per distinguere il campo magnetico in un mezzo
da quello nel vuoto, in cui i due vettori sono identici a meno della costante di
proporzionalità chiamata permeabilità magnetica nel vuoto
B0=µ0H (1).
Nel SI, l'unità di misura di B è il Tesla (T), di H è A/m.
Lo strumento per la misura dell’induzione magnetica si chiama magnetometro.
L’effetto di un campo magnetico su un corpo; la magnetizzazione
Come agisce un campo magnetico in un mezzo (anziché nel vuoto)?
B0=µ0H (1) diventa, in un mezzo;
B=µ0(H+M) (2)
dove il vettore magnetizzazione M dà conto di come le condizioni magnetiche
vengano modificate dagli effetti della magnetizzazione del mezzo.
Introducendo la suscettività magnetica χ, l’operatore che descrive la variazione
della magnetizzazione al variare del campo magnetico agente
χ=M/H (3)
La relazione (2) diventa
B=µ0(H+χH) →B=µ0 (1+χ)H
Da cui, introducendo la permeabilità relativa µ=µ0µr con µr = 1 + χ
B=µH (4)
La suscettività magnetica – la risposta di un mezzo
all’azione di un campo magnetico
Si è introdotta la suscettività magnetica quale grandezza che descrive la
variazione della magnetizzazione di un corpo al variare del campo magnetico
agente.
In generale la suscettività magnetica è una funzione complessa che può essere
formalizzata in varie modalità, a seconda delle caratteristiche di omogeneità,
linearità ed isotropia del mezzo.
Esaminando corpi omogenei, per poter considerare costante la risposta del
mezzo al campo magnetico agente, tutti i materiali in natura si comportano
secondo tre classi di suscettività magnetica:
Diamagnetismo – magnetizzazione non permanente ed estremamente debole di
verso opposto a quello del campo magnetico agente
Paramagnetismo – magnetizzazione non permanente e debole di verso
concorde a quello del campo magnetico agente
Ferromagnetismo – magnetizzazione permanente, talora molto intensa e
relazionata in maniera complessa rispetto al campo magnetico agente
Il magnetismo a livello microscopico
Il comportamento magnetico di un mezzo si deve, a livello microscopico, alla
somma di due contributi elettronici (il contributo del protone è trascurabile): il
momento magnetico orbitale (l’elettrone è in rotazione attorno al nucleo ed è
assimilabile ad una spira percorsa da corrente) e il momento magnetico
intrinseco di spin (lo spin è il momento angolare proprio delle particelle, per gli
elettroni vale ½, l'elettrone ritrova la sua posizione ogni 720°, come se
percorresse un nastro di Moebius attorno a se stesso).
ω
v
v
ω
I due moti di un elettrone; moto orbitale attorno al nucleo e due orientazioni di spin.
Diamagnetismo
Nei mezzi diamagnetici in nessun orbitale esiste alcun elettrone spaiato, per cui il
momento magnetico netto di spin è nullo (tanti momenti propri sono orientati in un
verso quanti in quello opposto).
La loro magnetizzazione dipende solo dalla perturbazione del moto degli elettroni in
presenza di un campo magnetico (precessione di Larmor), che si manifesta come
un debole momento magnetico opposto al campo esterno (suscettività -10-6 SI); il
diamagnetismo è evidente finché agisce il campo magnetico.
Il diamagnetismo è presente in tutti i mezzi, viene però sovrastato nei mezzi
ferromagnetici e paramagnetici. Sono diamagnetici l'acqua, la maggior parte delle
sostanze organiche, le plastiche, il mercurio, l'oro, il rame, l'argento.
Paramagnetismo
I mezzi paramagnetici sono costituiti da atomi e/o ioni con elettroni spaiati
presenti entro orbitali elettronici incompleti, da cui risulta pertanto un momento
magnetico netto tendente ad allinearsi al campo magnetico esterno.
La magnetizzazione è debole e svanisce non appena il campo magnetico cessa
di agire (suscettività dell’ordine 10-2 - 10-4 SI); la suscettività inoltre dipende dalla
temperatura, decrescendo iperbolicamente all’aumentare della temperatura.
Sono paramagnetici l’alluminio, la pirite e la siderite.
Ferromagnetismo
A differenza dei mezzi paramagnetici, nei materiali ferromagnetici i momenti
magnetici di spin instaurano fra loro un processo di interazione elettrostatica,
detta interazione di scambio.
Le interazioni di scambio favoriscono la formazione di strutture in cui tutti i
momenti netti di spin sono allineati in una medesima direzione; tali strutture
sono denominate “domini magnetici”.
Applicando un campo magnetico ad un mezzo ferromagnetico i domini
tendono ad allinearsi al campo; l’allineamento si può realizzare con la crescita
dei domini allineati al campo a spese di un dominio vicino oppure, in presenza
di campi opportunamente intensi, direzionando simultaneamente tutti i
momenti netti di spin.
B
Il ferromagnetismo sussiste fino ad una temperatura caratteristica per ogni
mezzo e denominata temperatura di Curie, in cui l’energia termica diviene
prevalente ed impedisce i processi di interazione.
Il ciclo d’isteresi
La suscettività magnetica di un ferromagnete è una curva complessa che viene
denominata ciclo d’isteresi, in cui si individuano alcuni punti notevoli:
oMagnetizzazione di saturazione, la massima magnetizzazione raggiungibile dal
mezzo, quando tutti i domini sono allineati al campo agente.
oMagnetizzazione rimanente, la magnetizzazione esibita dal corpo in assenza di
campo; ecco come funziona una calamita! Quale caratteristica deve avere il ciclo
d’isteresi di una buona calamita?
oCampo coercitivo, il campo magnetico necessario a smagnetizzare il corpo.
Il Ferromagnetismo sl
Gli elementi ferromagnetici naturali a temperatura ambiente sono il ferro (TC =
770°C), il cobalto (T C = 1131°C) e il Nichel (T C = 358°C).
È molto difficile trovare tali elementi puri; il magnetismo naturale deriva invece
da composti il cui comportamento magnetico può ricadere in queste categorie:
Ferrimagnetismo – momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di
magnetizzazione antiparallela e diversa intensità, magnetizzazione non nulla.
Antiferromagnetismo - momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di
magnetizzazione antiparallela e uguale intensità, magnetizzazione nulla.
Antiferromagnetismo inclinato - momenti magnetici distribuiti in
sottoreticoli di magnetizzazione non bilanciata, magnetizzazione debole.
due
Alcuni esempi di minerali magnetici
Magnetite: Fe3O4
TCurie: 580o C
Ematite: Fe2O3
Temperatura di Néel: 680o C
Goethite: FeO.OH
Temperatura di Néel: 120o C (55-130o C)
Pirrotina: FeS1+x
TCurie: 275-320o C
Ferromagnetismo sl e granulometria magnetica
Le caratteristiche d’isteresi e di stabilità magnetica non dipendono soltanto dalla
composizione chimica del mezzo, ma anche dalla tipologia dimensionale dei
granuli magnetici che lo compongono; tali granuli vengono classificati in quattro
categorie dipendenti dimensione e dal relativo comportamento magnetico; nel
caso della magnetite, si possono avere le seguenti caratteristiche granulari:
Superparamagnetici (SP); granuli molto piccoli (d<0.035 µm) e
magneticamente instabili; l’energia termica ambientale è sufficiente a disorientarli.
In assenza di campo la loro magnetizzazione è sempre zero. Occorre studiarli a
basse temperature.
Singolo dominio (SD); granuli costituiti da un unico dominio magnetizzato e
saturo (il suo ciclo d’isteresi è un quadrato); idealmente, l’unico modo per
cambiare la sua magnetizzazione è invertirla; massimi valori di rimanenza e
campo coercitivo (0.035 µm < d < 0.08 µm).
Pseudo singolo dominio (PSD); vasta tipologia di granuli dimensionalmente al
limite tra il singolo dominio e il multidominio, di magnetizzazione ancora stabile
(0.08 µm < d < 15 µm).
Multidominio (MD); granuli di dimensioni maggiori, suddivisi in vari domini
magnetici, la magnetizzazione globale del granulo è meno stabile ed intensa a
causa delle interazioni e degli equilibri tra i domini costituenti (d>20 µm).
Lo studio delle proprietà magnetiche:
il laboratorio di paleomagnetismo
Prima di descrivere alcune applicazioni geofisiche dello studio delle proprietà
magnetiche, si passano in rassegna i principali strumenti di misura coinvolti nelle
analisi magnetiche.
La sala schermata dai campi magnetici statici
Le analisi magnetiche vengono effettuate principalmente in una sala schermata
dai campi magnetici statici, dove una bussola non funzionerebbe!
Ogni parete del laboratorio è costituita da tre fogli di una lega metallica
magnetizzata in modo tale da produrre un campo magnetico compensante quello
ambientale.
S
N
H
Hs
I principali strumenti di laboratorio
Il magnetometro criogenico – per la misura e il trattamento dei campioni con
tecnologia SQUID, funzionamento in prossimità dello zero assoluto (-273 °C)
I principali strumenti di laboratorio
Forni per smagnetizzare
Forni elettrici di precisione per scaldare i campioni fino a circa 700°C in
modo di smagnetizzarli progressivamente (per isolare la magnetizzazione
caratteristica).
Micromag
Lo strumento più sensibile per
ricavare i cicli d’isteresi.
I principali strumenti di laboratorio
Il ponte di suscettività magnetica con criostato e fornace
Per misurare la suscettività magnetica, la sua variabilità direzionale
(anisotropia) e la sua variabilità con la temperatura da -192°C a 700°C
Applicazioni geofisiche delle analisi magnetiche
Paleomagnetismo e tettonica; definizione dei movimenti placche e
microplacche litosferiche, indicazione quantitativa di rotazioni e traslazioni in
latitudine di blocchi crostali, definizione di province geologiche a diversa
evoluzione geodinamica, applicazioni a scala mondiale e locale.
Magnetostratigrafia; studio della successione delle polarità magnetiche in
sequenze rocciose, datazione di sequenze stratigrafiche e messa a punto di
un sistema temporale di riferimento per i principali eventi tettonici,
paleontologici e paleoambientali; calibrazione della Scala Temporale delle
Polarità Magnetiche e analisi delle caratteristiche del campo magnetico
terrestre durante le inversioni e le escursioni di polarità magnetica.
Magnetismo Ambientale; studio della composizione e concentrazione dei
minerali magnetici in sequenze sedimentarie come indicatori di paleovariazioni
ambientali e climatiche.
Studio della mineralogia magnetica; per la corretta interpretazione e verifica
dei dati paleomagnetici e per lo studio delle proprietà magnetiche dei minerali,
della loro struttura e delle loro caratteristiche fisiche.
Applicazioni vulcanologiche; analisi delle direzioni magnetiche, confronto
con le curve di riferimento della paleo-variazione secolare del campo
geomagnetico per la corretta datazione.
I “continenti” in movimento;
200 milioni di anni di evoluzione geodinamica dell’emisfero meridionale
Antarctica
Keystone of Gondwana
By
L.M. Gahagan, L.A. Lawver,
and I.W.D. Dalziel
1999, University of Texas Institute for Geophysics
June 25, 1999
Ricostruire la posizione dei continenti nel tempo paleomagnetismo e deriva dei continenti
Le rocce sono bussole!
Mediata su 10000 anni, la componente dipolare del campo magnetico
terrestre (quindi, la conseguente direzione di magnetizzazione di una
roccia) si può considerare parallela all’asse terrestre; pertanto l’angolo tra
la direzione di magnetizzazione di un campione scelto opportunamente e
la direzione geografica N-S rappresenta quanto la roccia ha ruotato
dall’epoca della sua formazione.
Perché si magnetizza una roccia?
La magnetizzazione per sedimentazione
Perché si magnetizza una roccia?
La magnetizzazione termorimanente
La magnetizzazione acquisita dalle lave durante la loro formazione è stabile
temporalmente e non varia finché la roccia resta al di sotto della sua
temperatura di Curie.
T>Tc
Magma caldo
Magnetizzazioni orientate secondo
il campo magnetico
T<Tc
Magma freddo
magnetizzazioni“bloccate”
T<Tc
Magma freddo
Anche se il campo s’inverte,la
magnetizzazione resta “bloccata”
Dalle inversioni del campo magnetico terrestre alla magnetostratigrafia
Misurando la magnetizzazione delle rocce si è scoperto che le rocce si possono
magnetizzare secondo l’attuale verso del campo magnetico terrestre o in
modalità opposta; la magnetostratigrafia è la disciplina che studia la
magnetizzazione delle rocce per costruire la scala temporale delle inversioni
magnetiche, fornendo anche indicazioni sulle caratteristiche del campo
magnetico terrestre durante un’inversione di polarità e la possibilità di datare
sequenze stratigrafiche.
(a) Scala Temporale delle Polarità Magnetiche per gli ultimi 30 milioni di anni (da
Berggren et al., 1995); si indica in nero la polarità magnetica attuale, in bianco la
polarità magnetica inversa.
(b) L’espansione dei fondali oceanici è stata scoperta grazie alla misurazione di rocce
magnetizzate secondo polarità opposte.
Applicazioni ambientali; caratterizzazione dell’inquinamento
atmosferico da misurazioni magnetiche su polveri sottili.
Le polveri presenti in atmosfera sono costituite da un’ampia varietà di sostanze
solide e liquide (aerosol), di origine naturale o derivate dall’inquinamento antropico.
Il PM10
Il PM10 viene definito come la frazione delle polveri atmosferiche di piccolo
diametro (inferiore a 10 µm) che, inalate, possono raggiungere le vie respiratorie
più profonde e causare malattie. La frazione legata all’inquinamento è spesso
associata a sostanze tossiche e cancerogene.
Le emissioni industriali ed il riscaldamento domestico rappresentano le maggiori
fonti di PM10 di origine antropica, il più pericoloso per la salute.
Dal 1 gennaio 2005, il valore limite nelle 24 ore, per la protezione della salute
umana, è di 50 µg/m3 d’aria, da non superare per più di 35 volte nel corso
dell’anno (con media annua è di 40 µg/m3).
Dal 1 gennaio 2010, il valore limite nella giornata sarà comunque di 50 µg/m3,
ma tale valore non potrà essere superato per più di 7 volte durante l’anno
(con media annua di 20 µg/m3).
I danni stimati per la salute
Galassi et al. (2000): Exposure to PM10 in the eight major italian cities and quantification of
the health effects, ISEE 2000, August 19-22, 2000
Proprietà magnetiche delle polveri sottili: misure di laboratorio
Le particelle magnetiche che derivano dai processi di combustione dei veicoli;
sono per lo più sferule di “magnetite” di dimensioni submicroscopiche,
contraddistinte da proprietà magnetiche intense e stabili.
La suscettività magnetica k viene misurata per fornire una stima della
concentrazione di queste particelle magnetiche nell’aria.
Proprietà magnetiche delle foglie
Le proprietà magnetiche delle foglie degli alberi possono essere interpretate
quali indicatori dell’inquinamento da polveri sottili; le foglie, composte
principalmente da acqua, dovrebbero essere diamagnetiche; se si misurano
suscettività magnetiche positive, significa che hanno incorporato particolati
metallici dovuti all’inquinamento.
Platanus
(platano)
Quercus Ilex
(leccio)
Sono state selezionate foglie da alberi ad alta diffusione a Roma (platano,
leccio).
Mappe di distribuzione degli inquinanti
Si possono compilare mappe di distribuzione della suscettività
magnetica k delle foglie, per evincere
l’andamento spazio-temporale
dell’inquinamento con una risoluzione spaziale più fitta rispetto alle
centraline e con dati mediati nel tempo.
Magnetic susceptibility
0 to 7
7 to 13
13 to 20
4000
3500
20 to 26
3000
26 to 33
2500
2000
July
1500
1000
500
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Confronto tra siti di tipologia differente a Roma
I valori più alti di suscettività si misurano nei luoghi a maggiore traffico veicolare
confermando che i veicoli sono la maggiore sorgente di polveri fini magnetiche.
30.00
20.00
-8
3
(10 m /kg)
25.00
Platanus
Quercus
15.00
10.00
5.00
0.00
P.
Acquedotti
suburban
park
Becadelli
Consoli
Don Bosco
Low/medium traffic
Lemonia
Casilina
Re di Roma
High traffic
Lungotevere – Platani
Confronto alberi sul fiume e sulla strada
fiume
secco strada
fiume
umido strada
2
2
1
1
0.0
1.0
2.0
Suscettività
χ 10-8 m3/kg
3.0
4.0
0.00E+00 2.00E+02 4.00E+02 6.00E+02
IRM900 Am2/kg
Distribuzione della suscettività magnetica χ delle foglie
Via delle Terme di Caracalla (Roma Centro)
I parametri magnetici indicano una diminuzione della concentrazione delle
particelle magnetiche con la distanza dalla strada.
Questo conferma che le particelle magnetiche adsorbite dalle foglie sono di
origine veicolare.
La Suscettività al variare della distanza dalla sede stradale
Via Ostiense, Roma
La Suscettività al variare della distanza dalla sede stradale
Via di Tor Carbone, Roma
Istogramma della suscettività da misure presso Via di Tor
Carbone, Roma
Immagini al microscopio elettronico dei particolati
metallici adsorbiti dalle foglie (1)
Immagini al microscopio elettronico dei particolati
metallici adsorbiti dalle foglie (2)
Immagini al microscopio elettronico dei particolati
metallici adsorbiti dalle foglie (3)
Immagini al microscopio elettronico dei particolati
metallici adsorbiti dalle foglie (4)
Le proprietà magnetiche del particolato filtrato nelle centraline di
rilevamento della qualità dell’aria
Sono stati condotti, in cooperazione con la Regione Lazio e l’ARPA Lazio, 11 mesi
di osservazione e misurazioni magnetiche sui filtri di PM10 provenienti da centraline
della rete di monitoraggio della regione; lo scopo era di valutare l’applicabilità degli
studi di Magnetismo Ambientale come mezzo diagnostico ausiliare per il
monitoraggio dell’inquinamento atmosferico, tramite il confronto con le altre
tecniche convenzionali disponibili.
Staz. Roma Magnagrecia
Centraline della rete di monitoraggio nel Lazio
Viterbo
Roma
Fontechiari
Frosinone scalo
Villa Ada
Latina
Magnagrecia
Centraline studiate:
•Magnagrecia (Roma)
•Villa Ada (Roma)
•Viterbo
•Latina
•Frosinone scalo
•Fontechiari
Misurazioni magnetiche in laboratorio
Filtri giornalieri
Nel laboratorio di paleomagnetismo
la suscettività magnetica k di ciascun
filtro è stata misurata tramite il
Kappabridge KLY-3 della AGICO.
E’ sempre corretto stimare l’inquinamento atmosferico
mediante la concentrazione del PM10?
Le misurazioni magnetiche per discriminare l’origine del PM10
La suscettività e la
concentrazione del PM10
hanno lo stesso andamento
la concentrazione del PM10
ha un picco non rilevato con
la suscettività
Aumento di apporto di polveri
naturali non magnetiche
La suscettività ha un picco
non evidente da dati di
PM10
Aumento relativo della
frazione magnetica
Conclusioni
Le mappe di distribuzione della suscettività magnetica delle foglie sono un
metodo originale ausiliario per tracciare la diffusione di polveri sottili di origine
antropica.
La concentrazione della frazione magnetica delle polveri urbane aumenta in
zone ad intenso traffico veicolare (con valori fino a 100 volte maggiori di quelli
misurati nei parchi) e decresce con la distanza dalla sede stradale.
Con i metodi magnetici si possono discriminare i periodi in cui ad elevati valori
di concentrazione del PM10 corrisponde un significativo apporto di polveri
naturali, dai periodi in cui le elevate concentrazioni del PM10 sono da riferirsi
esclusivamente ad un contributo locale di emissioni inquinanti.
Contributo naturale (per es. polveri
di provenienza Sahariana)
Contributo antropico
(per es. inquinamento da traffico)
