Una questione piuttosto “attraente”

Presentazione sul tema: "Una questione piuttosto “attraente”"— Transcript della presentazione:

1 Una questione piuttosto “attraente”
Il Magnetismo Una questione piuttosto “attraente”

2 Il termine “magnetismo” deriva dalla antica città di Magnesia, sul confine fra Grecia e Macedonia dove molti magneti naturali, ricchi di magnetite, Fe3O4, erano stati trovati nell’antichità. Talvolta ci si riferisce a tali materiali col termine “calamite” (in inglese lodestones o loadstone; “lode” = “to lead” o “to attract”). Plinio il vecchio (23-79 DC, Roma) scrisse di una collina vicino al fiume Indo interamente fatta di una pietra che attraeva il ferro. Plinio: indicò perfino lo scopritore, un pastore della Magnesia, “Al quale i chiodi delle scarpe e i denti della zappa rimanevano attaccati al terreno mentre portava al pascolo il suo gregge.” Questo fenomeno era inspiegabile – Talete credeva che le calamite avessero un’anima!

3 Uso del Magnetismo I Cinesi fin dal 121 DC sapevano che una sbarretta di ferro avvicinata ad un magnete naturale acquisisce e mantiene a sua volta proprietà magnetiche … e che questa sbarretta, sospesa e un filo e libera di ruotare, si sarebbe sempre orientata lungo una particolare direzione allineandosi lungo l’asse geografico Nord-Sud. Era nata la bussola (“compass”). Anche se è possible che la bussola fosse in uso fin dal 400 AC, le prime testimonianze dell’impiego di magneti per la navigazione risalgono all’XI secolo. Le più antiche descrizioni sono di Wu Ching Tsung Yao, nel 1040 e Shen Kua nel A quel tempo l’impero Cinese aveva una flotta imponente le cui esplorazioni culminarono coi viaggi dell’ammiraglio Zheng He.

4 Prime Teorie sul Magnetismo
European Navigation ·        La conoscenza della bussola (compass) dalla Cina arriva in Europa. ·        Il primo resoconoto della bussola in Europa è in un poema francese del 1125. ·        La bussola è usata nel mar Mediterraneo dal1190 (Flavio Gioia, Amalfi). ·        Il suo utilizzo permette le grandi avventure transoceaniche del XV secolo. ·        La bussola si dimostra una delle più importanti invenzioni della storia. Prime Teorie sul Magnetismo Petrus Perigrinus scrisse: “Epistola de Magnete” nel Fece esperimenti con un magnete sferico e propose una macchina basata sul moto perpetuo sfruttando “l’energia magnetica”. Nel 1600, William Gilbert scrisse “De Magnete“, una delle più importanti antiche pubblicazioni di scienza. Egli teorizzo per primo che la Terra stessa fosse un magnete: "Magnus magnes ipse est globus terrestis“ Nel XVIII secolo nacquero le teorie moderne sull’elettromagnetismo

5 Modern Science Magnetism
Occorre giungere al 1819 per la dimostrazione della connessione fra fenomeni elettrici e magnetici. Il danese Hans Christian Oersted osservò che l’ago di una bussola è deviato se posto in vicinanza di un circuito elettrico chiuso e funzionante! Nel 1831 Michael Faraday scopre che nel momento dell’accensione (o spegnimento) di un circuito elettrico si osserva un momentaneo passaggio di corrente anche in un circuito vicino. Poco tempo dopo, scopre che anche il movimento di un magnete rispetto a un circuito elettrico chiuso produce lo stesso effetto.

6 The Connection is Made Ampere suggerì per primo nel 1820 che le proprietà magnetiche dei materiali fossero dovute a deboli correnti atomiche. Tutto gli atomi mostrano proprietà magnetiche. Il Medium (mezzo/fluido) in cui le cariche si muovono ha importanti effetti sulle forze magnetiche osservate. Oersted mostrò che le forze magnetiche possono essere prodotte da cariche elettriche in movimento. Faraday e Henry mostrarono che le correnti elettriche possono essere generate muovendo dei magneti. Maxwell riassunse tutte queste osservazioni in un insieme ordinato di leggi fisiche (Equazioni di Maxwell).

7 Elettro-magnetismo I Magneti producono forze – magnetic force – che agiscono in maniera simile alle forze elettriche. I poli magnetici (Nord, Sud) si comportano come cariche elettriche ( +, - ): poli opposti si attraggono, poli identici si respingono. L’entità della forza dipende dalla distanza fra i poli. Basta sospendere una sbarretta magnetica per avere una bussola. Una estremità punterà verso N – il Nord geografico, l’altra verso S – il Sud geografico. I Magneti hanno SEMPRE due poli N e S. Se si spezza una barretta magnetica non avremo poli separati ma due nuovi magneti. Lecture 2 - Magnetism Lecture 2 - Magnetism Lecture 2 - Magnetism Lecture 2 - Magnetism Lo spazio che circonda un magnete è permeato da un campo magnetico. Le linee del campo sprigionano dal polo Nord e rientrano dal polo Sud. Più le linee sono concentrate più forte risulta il campo. Una bussola posta entro un campo magnetico, si orienta seguendo le linee del campo.

8 Linee di campo attorno a un magnete

9 Per ogni Nord, esiste un Sud … … si è sempre a Sud di qualcun’altro
Ogni magnete ha almeno un polo Nord e un polo Sud.  Per convenzione, assumiamo che le linee di forza del campo magnetico “escono” dall’estremità Nord del magnete ed entrano nell’estremità Sud.  Se si spezza in due parti un magnete, ogni parte risultante avrà nuovamente un polo Nord e un polo Sud. Se ancora ognuna di queste parti fosse spezzata ulteriormente, ogni pezzettino risulterà avere un polo Nord e un polo Sud, indipendentemente dalla forma del pezzo risultante. S N S N

10 I Mono-poli non sono ammissibili
Non è possibile individure un unico singolo polo Nord o polo Sud, ovvero un mono-polo ("mono" significa uno, singolo).  Note: Some theorists believe that magnetic monopoles may have been made in the early Universe. So far, none have been detected. S N

11 Tutti i fenomeni magnetici hanno come origine le “forze” generate da cariche elettriche in movimento.

12 Forza sulla carica La Regola Della Mano Destra!
Sistemate le 4 dita del palmo della vostra mano nella direzione di moto della carica elettrica, chiudetele seguendo la direzione del campo magnetico. Il pollice punterà nella direzione della forza risultante sulla carica. Questa forza agirà sul moto della carica elettrica, modificandolo. Forza sulla carica

13 Rotating field motor: first model (1885)
Galileo Ferraris: Nato nel 1847 a "Livorno Piemonte" - poi ribattezzato Livorno Ferraris - morì nella sua casa di Torino, in via XX settembre 46, nel Si laureò in ingegneria e diventò assistente di fisica tecnica al Regio Museo Industriale Italiano (poi Politecnico di Torino). Nel 1885 dimostrò sperimentalmente in pubblico il risultato dei suoi studi: l'esistenza di un campo magnetico rotante generato mediante due bobine fisse, tra loro perpendicolari, percorse da correnti isofrequenziali in quadratura; un cilindretto di rame attraversato da corrente, immerso nel campo magnetico, si mette in movimento, tra la meraviglia dei presenti, sotto l'azione delle forze elettrodinamiche tra campo rotante e correnti indotte. E' l'inizio del motore elettrico. Fourth model (1886) Rotating field motor: first model (1885)

14 Motore Elettrico Un motore elettrico, è una macchina che converte energia elettrica in energia meccanica (rotazionale o cinetica).    Una corrente viene fatta passare attraverso un circuito elettrico immerso in un campo magnetico. Una forza si manifesta sui due bracci laterali del circuito tendendo a far ruotare il circuito, sul braccio in alto la forza è orientata in direzione uscente dal grafico, sul braccio in basso la forza è orientata in direzione entrante nel grafico. L’effetto finale sarà la rotazione del circuito attorno al proprio asse.

15 Tutti i fenomeni magnetici hanno come origine le “forze” generate da cariche elettriche in movimento.

16 Proprietà magnetiche della materia
In altre parole … i magneti sono materiali che producono campi magnetici senza una “apparente” circolazione di carica elettrica Inoltre, tutte le sostanze - solidi, gas e liquidi – reagiscono, in misura diversa, alla presenza di un campo magnetico. Perché? Il modo e l’entità della loro “reazione al campo magnetico” permettono la suddivisione di materiali in diverse categorie (“tipologie”).

17 Magnet – ismi Ferromagnetismo – se un materiale ferromagnetico viene posto vicino a un magnete, sarà attratto verso la regione dove il campo magnetico è più intenso.  Questo è quel che osserviamo quando un magnete, per esempio, attrae un pacchetto di clips o di spille.  Il ferro (Fe), il cobalto (Co), il nichel (Ni), il gadolinio (Gd), il disprosio (Dy) e le loro leghe esibiscono comportamento ferromagnetico a causa della interazione fra i momenti magnetici (spin) generati dagli elettroni presenti nei loro orbitali esterni: ogni atomo interagisce in questo modo con l’atomo vicino dando luogo a una “interazione ferromagnetico”. Questa interazione porta ad un allineamento dei momenti magnetici del materiale lungo una stessa direzione, creando zone di magnetizzazione omogenea (domini magnetici) e rendendo a sua volta il materiale un magnete.

18 Diamagnetismo - Quando un materiale diamagnetico è posizionato vicino a un magnete, al contrario di un materiale ferromagnetico, viene respinto (debolmente) dalla regione/zona di maggior forza del campo. Questa proprietà è comune a tutti i materiali, ma essendo molto debole nei materiali para- e ferromagnetici in pratica il diamagnetismo non si evidenzia. (le persone e le rane così come alcuni metalli: bismuto, rame, oro, argento e piombo, e come le sostanze organiche e l’acqua sono diamagnetiche). Paramagnetismo – Quando un materiale paramagnetico è posizionato vicino a un magnete, come pe ri materiali ferromagnetici (ma più debolmente) è attirato verso la regione/zona di maggior forza del campo. Il paramagnetismo è esibito dai materiali contenenti elementi di transizione, elementi delle terre rare e attinidi. L’ossigeno liquido e l’alluminio sono esempi di materiali paramagnetici. 

19 Il campo magnetico della Terra
L’origine del campo magnetico terrestre CMT non è del tutto compresa. Probabilmente il CMT ha origine dal movimento di cariche elettriche che si muovono a causa dei moti delle correnti convettive (trasferimento di calore) nel mantello (attorno al nucleo) della Terra. I poli della Terra si invertono periodicamente. L’ultima inversione si è avuta anni fa. Il CMT è diminuito in intensità di circa il 10 % negli ultimi 100 anni. Il CM del sole si inverte ogni 22 anni! Il CMT ci protegge dalle particelle cariche (radiazioni cosmiche) emesse dal sole? Campi Magnetici e Particelle Cariche ·     Una particella carica in movimento attraverso un campo elettrico subisce una forza. ·     La forza agisce in modo da deviare la particella lontano dal campo. ·     Questo è il modo in cui il CMT ci prottegge dalle radiazioni cosmiche. ·     Possiamo vedere questo effetto, per esempio con gli elettroni – questo è il principo su sui si basava i televisori con tubo catodico! ·     Se la corrente percorre un circuito, il circuito stesso subirà la forza di deflessione, a dimostrazione ulteriore della relazione enludibile fra elettricità e magnetismo.

20 THE BIG BREAKTHROUGH All’inizio degli anni '60 fu scoperta una strana successione di ordinamento magnetico nei sedimenti delle dorsali oceaniche, speculare rispetto ai due lati adiacenti le faglie oceaniche: una nuova teoria radicale fu formulata e chiamata “sea floor spreading” (Deriva dei continenti).

21 In quello stesso periodo si comincò a dare una spiegazione all’apparente nomadismo dei poli magnetici terrestri. Dopo aver riportato in sequenza i dati, si osservò che i poli magnetici avevano mutato posizione nel tempo. Inoltre, i geologi compresero che le catene montuose si estendevano anche da un continente all’altro.

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23 L’ago della bussola all’osservatorio geomagnetico di Londra

24 We can use the principal of induction to produce a dynamo.
This is a device that converts mechanical work into electricity. Very similar to an electric motor except that we provide the energy to rotate the current coil. This generates an electric current! Principle still used in today’s power stations. Many migrating animals use magnetism to navigate. Small particles of lodestone have been found in the ears of homing pigeons – it is thought that this provides an in built compass! Sharks have special organs that allow them to sense small variations in electrical and magnetic fields. Allows them to locate prey thrashing in the water!

25 Applicazioni del Magnetismo Magnetic Resonance Imaging
· In presenza di un campo magnetico sufficientemente elevato, molti materiali esibiscono proprietà magnetiche rilevanti. ·  Si può usare la risposta al campo magnetico da parte degli atomi di idrogeno dell’acqua (diversamente distribuita nei tessuti) per realizzare immagini estremamente accurate dei tessuti biologici. ·  Questa tecnica non genera lo stesso rischio dei raggi-x. Permette l’osservazione di sottili strati di tessuto biologico attraverso il corpo. Richiede magneti volte più intensi del campo magnetico terrestre.

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27 In realtà non abbiamo finora compreso i meccanismi fisici
Sappiamo che esiste un fenomeno denominato elettromagnetismo e che possiamo sfruttarlo per numerose applicazioni. In realtà non abbiamo finora compreso i meccanismi fisici che lo regolano. Fino a che punto lo conosciamo?