MAGNETISMO LICEO GINNASIO STATALE “SAN NILO” Prof.ssa Francesca Russo.

Presentazione sul tema: "MAGNETISMO LICEO GINNASIO STATALE “SAN NILO” Prof.ssa Francesca Russo."— Transcript della presentazione:

1 MAGNETISMO LICEO GINNASIO STATALE “SAN NILO” Prof.ssa Francesca Russo

2 LA STORIA:  Il termine magnete si deve ai filosofi della Scuola di Mileto: con il sostantivo  ovvero  veniva infatti indicata la roccia magnetica che si rinveniva in cave nei pressi della città di Magnesia al Silipo, dell’attuale Turchia. Fin dai tempi di Talete (VI secolo a.C.), infatti, era noto come quest’ossido di ferro, detto antonomasticamente MAGNETITE (in formula FeO-Fe 2 O 3 ), fosse in grado di attrarre la limatura di ferro.

3 LA LEGGENDA: Secondo la leggenda narrata da Plinio il Vecchio (23 - 79 d.C.) al capitolo 25 del Libro XXXVI della sua opera enciclopedica Historia Naturalis, invece, fu il pastore cretese “Magnes” a scoprire e dare il suo nome al magnes lapis: stava passeggiando per le colline, quando, con sua meraviglia e orrore, il suo bastone ricoperto di ferro si attaccò a una roccia: lottando contro la forza che proveniva dalla roccia magnetica, cadde. Stupito e impaurito, il ragazzo tornò a casa e riferì la sua strana esperienza. Le persone del villaggio andarono quindi a vedere con i loro occhi la roccia con quelle strane proprietà di attrarre qualsiasi cosa fatta di ferro e pensarono che si trattasse di magia…

4 ANCORA CURIOSITÀ ETIMOLOGICHE… Attualmente i termini calamita e magnete vengono utilizzati come sinonimi. Il termine calamita fu usato a partire dal XIII secolo e deriva dal latino călămus, i (= freccia). Questo perché gli aghi magnetici delle bussole sono tagliati con questa caratteristica forma. Il termine bussola, a sua volta, si deve al fatto che le prime bussole erano costituite da un recipiente di legno (bossolo, appunto) contenente l’ago magnetico che indica il nord geografico… Ma del magnetismo terrestre ci occuperemo dopo.

5 DATI SPERIMENTALI NOTEVOLI 1) Alcuni corpi (magneti) sono capaci di attrarsi o respingersi con interazioni molto più intense di quelle gravitazionali, senza manifestare alcuna carica elettrica, nonché di attrarre e rendere simili a sé altri oggetti. Quest’ultimo fenomeno è detto magnetizzazione: avviene per induzione, contatto o strofinio, e può avere carattere temporaneo o permanente.

6 Magnetizzazione per contatto Avviciniamo a un magnete una graffetta: questa viene attratta e si “attacca” al magnete, acquisendo a sua volta la capacità di attrarre altre graffette. Quando però stacchiamo il magnete dalla prima graffetta… (magnetizzazione temporanea!) NB: non tutti i metalli vengono attratti dalle calamite. Proviamo con le monetine da 10 eurocent…

7 Magnetizzazione per induzione Possiamo poi ripetere l’esperimento precedente del magnete e delle graffette non ponendoli direttamente a contatto, bensì interponendo del materiale (carta, vetro, alluminio…). In tal caso non solo verifichiamo l’induzione magnetica, ma possiamo trarre conclusioni su quali materiali si lasciano “attraversare” dalla forza magnetica (parleremo di permeabilità magnetica e classificheremo le sostanze in diamagnetiche, paramagnetiche, ferromagnetiche). Lasciando un’asticciola di ferro per un certo periodo di tempo in prossimità di un magnete, l’asticciola acquisisce proprietà magnetiche, diventando un magnete artificiale (la magnetite è invece un magnete naturale, cioè con proprietà magnetiche intrinseche).

8 Magnetizzazione per strofinio Prendiamo una calamita a barra e un ago abbastanza grosso: lo strofiniamo ripetutamente (almeno 40 volte) nello stesso verso e per tutta la sua lunghezza con un’estremità del magnete. L’ago diventerà anch’esso un magnete!

9 Smagnetizzazione Prendiamo l’ago magnetizzato artificialmente nell’esperimento precedente e facciamolo cadere ripetutamente su una superficie dura: avvicinandolo ad altri aghi noteremo che avrà perso le sue proprietà magnetiche. Gli urti infatti agiscono sulle particelle che compongono l’ago in modo opposto allo sfregamento della calamita, come se mettessero in discussione ciò che essa aveva “riordinato” (capiremo meglio questo fenomeno parlando delle sostanze ferromagnetiche e paramagnetiche): la conseguenza è la perdita del potere magnetico!

10 DATI SPERIMENTALI NOTEVOLI 2) La limatura di ferro viene attratta solo dalle estremità del magnete e non dalle sue zone intermedie. Tali estremità, dette poli magnetici, interagiscono tra loro. Poiché tali interazioni sono solo di natura attrattiva o repulsiva, si deduce che esistono solo due tipi di polarità magnetica, che convenzionalmente indichiamo con i nomi di polo nord e polo sud. Questa nomenclatura ha ovviamente a che fare con il fenomeno del magnetismo terrestre che affronteremo in seguito.

11 DATI SPERIMENTALI NOTEVOLI 3) Provando a spezzare un magnete, nel vano tentativo di separare i due poli, si ottengono invece altri due magneti, ciascuno con entrambe le polarità...

12 CAMPO MAGNETICO Conosciamo già il concetto di campo. È evidente che anche i magneti, come le cariche elettriche, “modificano” lo spazio che li circonda. Per capire come, utilizziamo un ago magnetico di prova, libero di ruotare attorno al suo baricentro: la posizione assunta dall’ago indicherà direzione e verso del campo magnetico del punto in cui viene posto, per convenzione orientato da polo sud a polo nord.

13 Come per il campo elettrico, dunque, anche per il campo magnetico è possibile tracciare le linee di forza. Si tratta di linee (immaginarie) in ogni punto delle quali l'ago magnetico che usiamo per "esplorare" il campo si dispone in modo tangente. N.B. Siccome non è possibile, per il campo magnetico, isolare il nord dal sud, le linee di forza del campo magnetico saranno sempre chiuse. Dunque la direzione del campo magnetico in un punto del campo è la retta tangente alla linea di forza passante per quel punto, il verso è dato dalla freccia (indicato dal nord dell'ago magnetico) e l'intensità misura la "grandezza" della forza magnetica esercitata dal campo sull'ago (a maggiore intensità si fa corrispondere un numero maggiore di linee di forza).

14 CAMPO MAGNETICO Se poniamo della limatura di ferro nelle vicinanze di una calamita (per esempio a forma di ferro di cavallo), le linee di forza del campo magnetico vengono visualizzate in modo suggestivo in quanto la limatura di ferro tende a disporsi lungo le suddette. La forma e la dimensione di una calamita influenzano la sua potenza: le calamite a ferro di cavallo sono più potenti di quelle a barra, che a loro volta sono più potenti di quelle rotonde. Tra due calamite della stessa forma è più potente quella più grande.

15 CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE Nel 1846 Faraday scoprì che un campione di bismuto avvicinato ad un magnete veniva da esso debolmente respinto. Questo comportamento anomalo si verificava anche con argento, rame, mercurio e acqua. Faraday chiamò diamagnetiche tutte queste sostanze. Le sostanze diamagnetiche hanno atomi e molecole prive di un momento proprio di dipolo magnetico in quanto gli effetti magnetici di tutti i moti degli elettroni si annullano.

16 CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE Il diamagnetismo è una forma di magnetismo che alcune sostanze mostrano solo in presenza di campi magnetici, polarizzandosi in senso opposto al campo applicato (e indebolendo dunque il campo magnetico). I materiali diamagnetici sono dunque sostanze che vengono debolmente respinte da un campo magnetico. Le sostanze che hanno comportamento diamagnetico sono, nell'esperienza comune, "non magnetiche" come l'acqua, l’idrogeno, l’azoto, la maggior parte delle sostanze organiche (DNA, oli, plastiche) e alcuni metalli come il mercurio, la grafite, l'oro, il rame, l'argento. Levitazione magnetica di un piccolo magnete su pezzi di materiale superconduttore ceramico. (effetto Meissner: “diamagnetismo perfetto”)

17 CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE Il paramagnetismo è una forma di magnetismo che alcune sostanze mostrano solo in presenza di campi magnetici, polarizzandosi nello stesso senso rispetto al campo applicato. I materiali paramagnetici sono caratterizzati a livello atomico da dipoli magnetici che si allineano con il campo magnetico applicato, venendone debolmente attratti. In particolare il paramagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole posseggono un momento di dipolo magnetico proprio, come l'aria e l'alluminio. Nel caso dell'aria, l'effetto paramagnetico e' a carico della molecola di ossigeno che possiede doppietti elettronici spaiati degli orbitali esterni responsabili dell'effetto. Contrariamente ai materiali ferromagnetici (che pure sono attratti da campi magnetici), i materiali paramagnetici non conservano la magnetizzazione in assenza di un campo esterno applicato. Esempi di sostanze paramagnetiche sono: alluminio, calcio, ossigeno, platino, sodio, potassio, uranio, magnesio.

18 CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE Il ferromagnetismo è la proprietà di alcuni materiali di essere fortemente magnetizzati anche se non sottoposti ad alcun campo magnetico esterno. Questa proprietà si mantiene solo al di sotto di una certa temperatura, detta temperatura di Curie (per il ferro questa temperatura è 768°C), al di sopra della quale il materiale si comporta come un materiale paramagnetico. Sono materiali ferromagnetici la magnetite e il ferro (da cui appunto il termine ferromagnetismo), cobalto, nichel, numerosi metalli di transizione e le loro rispettive leghe. I materiali ferromagnetici diventano a loro volta dei magneti quando vengono immersi in un campo magnetico esterno, perché l'effetto del campo magnetico è quello di orientare i momenti magnetici propri delle molecole parallelamente alla direzione del campo stesso. Nelle sostanze ferromagnetiche è particolarmente accentuata la tendenza a "catturare" le linee di campo magnetico, propria anche delle sostanze paramagnetiche. Tale fatto viene utilizzato al fine di creare degli schermi magnetici che rendono lo spazio al loro interno praticamente insensibile ai campi magnetici esterni.

19 CLASSIFICAZIONE DELLE SOSTANZE Anche nei materiali ferromagnetici gli atomi hanno un momento magnetico non nullo, ma l’orientamento di questi momenti magnetici non è completamente casuale. Infatti fra gli atomi vicini del materiale vi è una forte interazione che porta alla formazione di gruppi di atomi, detti domini magnetici (o domini di Weiss, dal nome del fisico che nel 1907 ne ipotizzò l’esistenza), all’interno dei quali tutti gli spin sono allineati tra di loro, ma i diversi domini sono disallineati tra di loro. Sotto l’azione del campo magnetico i domini che hanno un orientamento magnetico parallelo alle sue linee di forza tendono a modificare l’orientamento dei domini vicini allineandoli con il campo magnetico esterno o facendo contrarre tutti i domini il cui campo magnetico non è allineato con quello esterno (figure C e D). Si ha quindi un notevole incremento del campo esterno. Pierre Ernst Weiss (1865 - 1940)

20 CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Anche in assenza di un magnete si rileva la presenza di un campo magnetico: il nostro pianeta si comporta come un grosso magnete. Poiché continua a valere il principio di sovrapposizione dei campi, il CMT si combina con quello dei magneti che maneggiamo, ma se questi ultimi sono abbastanza grandi e potenti l’influenza del CMT è praticamente trascurabile.

21 CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Nel 1600 il fisico inglese W. Gilbert pubblica il “De Magnete” (consultabile on line sulla sezione di Google dedicata ai libri digitalizzati), un’opera nella quale affermava che “l’intera Terra è un grande magnete” il cui campo agisce sull’ago della bussola orientandola in direzione Nord-Sud. Non tutti i pianeti del sistema solare posseggono un campo magnetico. Il nostro ci protegge dal bombardamento delle particelle solari…

22 CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Sono da osservare due fatti interessanti: polo nord geografico e polo nord magnetico non coincidono: la terra genera un campo magnetico equivalente a quello di una gigantesca barra magnetica inclinata di circa 11° 30’ rispetto all’asse di rotazione terrestre. le linee di forza entrano nel "terreno" specialmente alle elevate latitudini (nei due emisferi). La differenza tra la direzione del polo geografico e quella del polo magnetico è definita declinazione magnetica. Se l'ago ha la possibilità di ruotare anche sul piano verticale, si dispone orizzontalmente solo all'equatore ed è in posizione verticale se lo si pone ai poli magnetici. Nelle altre località forma un angolo con il piano orizzontale detto inclinazione magnetica.

23 CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Quest’ultimo fatto può essere verificato sperimentalmente con una bussola il cui ago sia libero di muoversi anche verso il basso (non solo lateralmente). Con una bussola di questo tipo, si verifica che l'ago punta verso il terreno con un certo angolo (oltre che indicare il nord): l'ago magnetizzato con polarità nord punterà verso il terreno e l'altro verso il cielo. L'angolo che si formerà con l'orizzontale rappresenta l'inclinazione magnetica. L'angolo di inclinazione magnetica varia man mano che ci si sposta dalla nostra latitudine. In particolare, muovendoci verso nord l'inclinazione aumenta fino ad essere uguale a 90° (ago perfettamente perpendicolare al terreno) in corrispondenza del polo nord magnetico, mentre muovendoci verso sud l'inclinazione diminuisce fino a divenire nulla (ago parallelo al terreno) in corrispondenza dell'equatore magnetico. Alle nostre latitudini l'inclinazione magnetica è circa pari a 60°.

24 CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Migrazione dei poli Nord magnetico e nord geografico non solo non coincidono, ma si allontanano o si avvicinano nel tempo, secondo uno schema non ben definito. La migrazione dei poli magnetici è monitorata costantemente da circa un sessantennio attraverso dei rilievi decennali ma la sua velocità non è regolare. Attualmente il polo nord magnetico si trova nell'artico canadese, nei pressi dell'isola di Bathurst e dista circa 1000 km da quello geografico, ma non ci resterà a lungo. Gli spostamenti sono tanto sensibili che alcuni scienziati pensano che tra 50 anni lo si potrà ritrovare addirittura in Siberia. Posizione del polo nord magnetico negli ultimi secoli Non sono chiari i meccanismi per i quali si abbia questo movimento, probabilmente il campo magnetico terrestre è determinato da un enorme massa di ferro fuso sotto la superficie (circa 3000 km di profondità) che proprio perché in forma liquida tende a muoversi nel tempo determinando anche una differente orientazione dei suoi poli come un’enorme calamita.

25 CAMPO MAGNETICO TERRESTRE Inversione di polarità Il campo magnetico non mantiene sempre la medesima orientazione, ma subisce una inversione di polarità (il polo nord diventa polo sud e viceversa) mediamente ogni mezzo milione di anni. Metà, infatti, delle rocce studiate presenta una magnetizzazione opposta a quella attuale. I periodi più lunghi, dell'ordine del mezzo milione d'anni, sono chiamati epoche magnetiche, ognuna col nome di un famoso scienziato esperto di paleomagnetismo. Durante le epoche si registrano anche brevi inversioni dette eventi magnetici, che possono durare dai 50.000 ai 200.000 anni. Non si conosce la causa di questa inversione, né se avviene istantaneamente o si ha una diminuzione progressiva dell'intensità del campo per poi aumentare in direzione opposta.