Cap. 10 Il Magnetismo

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

Per magnetismo si intende la proprietà che hanno particolari Il magnetismo Per magnetismo si intende la proprietà che hanno particolari sostanze (naturali o artificiali) di attirare dei pezzettini di ferro

La calamita Un pezzo di materiale che è dotato di magnetismo si chiama magnete o calamita.  La calamita possiede alcune proprietà: È attiva solo sulle estremità Se sospesa si orienta secondo una direzione ben precisa Le estremità della calamita formano due poli opposti N (nord) e S (sud) Se prendiamo due calamite e le orientiamo in modo da avere sue poli contrapposti queste si attraggono Se prendiamo due calamite e le orientiamo in modo da avere sue poli uguali queste si respingono Se rompiamo una calamita si rigenerano nuovamente i due poli

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.

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

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

Magneti elementari e atomo 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.

Magnetismo artificiale permanente 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

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, 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 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. Per contatto: si produce mettendo il materiale da magnetizzare a contatto con la calamita Per induzione: si ottiene avvicinando il materiale da magnetizzare a una calamita. 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

Il campo magnetico 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

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

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 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.

Elettromagnetismo 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

Elettromagnete 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

L’induzione elettromagnetica 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

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 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

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 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

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 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