Magnetismo

Le linee di forza di un campo magnetico prodotto da un magnete possono essere rese visibili distribuendo limatura di ferro su un foglio di carta posto sopra la calamita.

Il magnetismo è un fenomeno fisico che si manifesta con l'attrazione del ferro da parte di altri materiali, che vengono definiti ferromagnetici o più semplicemente magnetici. Nello studio del magnetismo rientra anche la capacità dei materiali magnetici di rendere magnetici anche altri corpi, temporaneamente o permanentemente. Ciò avviene perché in questi materiali esistono regioni chiamate poli magnetici, sempre in coppia Nord e Sud: due poli uguali si respingono, mentre due poli opposti si attraggono.

Per estensione del significato, il termine magnetismo indica anche il ramo della fisica che studia i fenomeni legati ai campi magnetici. Quando si analizzano situazioni stazionarie, cioè in cui le grandezze non cambiano nel tempo, si parla più precisamente di magnetostatica. Questa disciplina presenta diverse analogie formali con l’elettrostatica, soprattutto se si sostituiscono le distribuzioni di carica elettrica con densità di corrente elettrica.

Nel caso di fenomeni variabili nel tempo, invece, i campi elettrici e magnetici si influenzano reciprocamente. Gli studi condotti nella prima metà del XIX secolo da scienziati come Ørsted, Ampère, Faraday e altri portarono a una descrizione unificata di questi due campi. Fu il fisico britannico James Clerk Maxwell, nel 1864, a formalizzare questa unificazione all’interno della teoria dell’elettromagnetismo classico, nota anche come elettrodinamica classica.

Storia

Il fenomeno fisico del magnetismo era già noto ai tempi degli Antichi Greci che lo scoprirono nel VI secolo a.C. grazie al filosofo e matematico Talete di Mileto, il quale attribuì il fenomeno alla pietra di Magnesia (magnetite). Secondo quanto riportato da Aristotele, Talete ha affermato che la magnetite, per poter attrarre e muovere il ferro, è un materiale dotato di un'anima. Sia il fenomeno del magnetismo che la magnetite hanno preso il nome dalla città di Magnesia al Sipilo (oggi Manisa in Turchia), colonia in Asia Minore fondata dagli antichi Magneti, una popolazione greca originaria dell'omonima regione (che sopravvive attualmente come Unità periferica della Magnesia con capoluogo la città di Volo).

In contemporanea con le scoperte di Talete nella Grecia antica, furono effettuate ricerche analoghe sulla magnetite anche nella Cina del periodo pre-Qin (IV secolo a.C.). A quel periodo risalgono i primi testi che spiegano il fenomeno del magnetismo, scritti dal filosofo Guiguzi (鬼谷子). Secondo alcuni storici, i cinesi erano a conoscenza del magnetismo già dall'X secolo a.C.. I cinesi continuarono le ricerche sul magnetismo e scoprirono così l'esistenza del campo magnetico terrestre (anche se non ne avevano ancora scoperto il funzionamento) ed inventarono la bussola: La prima forma di bussola risale al II secolo a.C. ed era costituita da un cucchiaio di magnetite che, grazie alle sue proprietà magnetiche, si orientava verso sud. Questo strumento era conosciuto con il nome di "Si'nan", termine cinese che significa proprio "indicare il sud". Il cucchiaio veniva collocato su un piatto decorato con simboli e caratteri cinesi. Originariamente, la bussola non veniva utilizzata solo per l’orientamento geografico, ma anche per scopi divinatori e rituali, riflettendo il profondo legame tra scienza, religione e cosmologia nella cultura cinese antica.

Sebbene i cinesi, con l'invenzione della bussola, avessero scoperto l'esistenza del campo magnetico terrestre, l'ipotesi che tutto il pianeta fosse un magnete fu avanzata solo nel XVI secolo da William Gilbert, fisico britannico e medico personale della Regina Elisabetta I. Lo scenziato britannico riporta le sue ricerche scientifiche sul suo trattato scientifico denominato De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (in italiano Sul magnete, e sui corpi magnetici, e sulla Terra grande magnete, spesso abbreviato in De Magnete), pubblicato in latino nel 1600. Nell'opera, costituita da sei libri, Gilbert critica le teorie antiche sul magnetismo e le rigetta in favore dei risultati degli esperimenti effettuati da Gilbert e da Pierre de Maricourt, fisico francese medievale, autore dell'epistola de magnete. Gilbert ha infatti dichiarato di avere un debito di riconoscenza verso lo scenziato medievale francese si deve il merito di aver individuato per primo i poli magnetici inseparabili, che chiamò polo Nord e polo Sud. L'opera di Gilbert ha inoltre ispirato fisici ed astronomi come il pisano Galileo Galilei, considerato il padre della scienza moderna.

Si iniziò a parlare di magneti artificiali per la prima volta solo nel 1730. Il naturalista inglese Servington Savery effettuò degli esperimenti combinando più pezzi di acciaio magnetico, ottenendo così dei magneti compositi. Nel 1820 il danese Hans Christian Ørsted dimostrò il collegamento tra elettricità e magnetismo inserendo un ago magnetico sotto un filo rettilineo di materiale conduttore. Successivamente Ørsted ha fatto passare della corrente elettrica sul filo conduttore ed ha notato il movimento dell'ago che si è girato disponendosi perpendicolarmente al filo.

Descrizione

Un magnete (o calamita) è un corpo che dispone di proprietà magnetiche ed è in grado di attirare verso di sé i materiali ferrosi, in particolare ferro ed acciaio. Esistono dei materiali che in natura dispongono di tali proprietà, come nel già citato caso della magnetite, che nonostante sia stata molto utile nello studio del magnetismo durante l'antichità, oggi non viene utilizzata per la produzione industriale di magneti a causa del suo magnetismo relativamente debole e non stabile oltre al fatto che non si tratta di un materiale facile da lavorare.

Alcuni materiali, come il ferro e le sue leghe (acciai), il cobalto ed il nichel, se in contatto con un magnete, adottano le stesse caratteristiche, per poi perderle una volta che il magnete viene allontanato da tali materiali. I materiali che possono essere magnetizzati vengono chiamati ferromagnetici. La magnetizzazione può essere sia permanente che temporanea:

• La magnetizzazione permanente si verifica, ad esempio, nell’acciaio: quando viene esposto a un magnete, acquisisce una magnetizzazione che rimane anche dopo la rimozione del campo magnetico, trasformandosi a sua volta in un magnete.
• Al contrario, la magnetizzazione temporanea, tipica del ferro dolce, dura solo finché è presente il magnete che la induce: una volta rimosso, il materiale perde la sua magnetizzazione.

Poli magnetici

Un’altra proprietà nota della magnetite e dei magneti, conosciuta da secoli, è la sua capacità di orientarsi spontaneamente lungo la direzione Nord-Sud, se lasciata libera di ruotare. Proprio da questa caratteristica nacque la prima applicazione pratica del magnetismo: la bussola. In ogni magnete si possono distinguere due poli, ovvero le regioni in cui l’azione magnetica è più intensa. Per convenzione, questi vengono chiamati polo Nord e polo Sud.

Fra i due poli si sviluppano forze attrattive o repulsive a seconda dei casi: Quando due magneti vengono entrambi avvicinati attraverso i loro poli simili (omonomi), i due magneti si respingono, mentre in caso due magneti vengono avvicinati da due poli opposti (Eteronomi) si ottiene invece l'attrazione dei due magneti tra di loro.

Se si divide un corpo magnetico in due o più parti, nel tentativo di separare il polo nord dal polo sud, si ottengono in realtà due o più corpi magnetici diversi, tutti dotati di entrambi i poli. Questo avviene perché all'interno di un materiale ferromagnetico, esistono molte regioni microscopiche denominate domini magnetici, ed ogni dominio dispone un proprio polo nord ed un polo sud. Di conseguenza, quando avviene la divisione di un corpo magnetico in due parti diverse, i domini magnetici si riorganizzano rapidamente per minimizzare l'energia magnetica, e ciò fa sì che ogni nuovo pezzo diviso sia dotato di un proprio campo magnetico e, di conseguenza, entrambi i poli magnetici.

Monopoli magnetici liberi

Fino a oggi, i monopoli magnetici liberi non sono mai stati osservati sperimentalmente, nonostante siano stati previsti a livello teorico già negli anni Trenta da Paul Dirac ed Ettore Majorana. Questa assenza implica una proprietà peculiare del campo magnetico: le sue linee di forza sono sempre chiuse, e il flusso magnetico attraverso qualunque superficie chiusa è pari a zero. Da questo si può dimostrare che il campo magnetico possiede lo stesso flusso attraverso tutte le superfici che condividono la stessa curva di contorno. Un campo vettoriale con questa caratteristica viene definito solenoidale.

Nel settembre 2009, tuttavia, è stato isolato all’interno di una struttura molecolare cristallina un particolare stato noto come quasi-monopolo magnetico, che riproduce in parte le proprietà teoriche del monopolo.

Magnetismo terrestre

Intorno a un magnete è presente un campo magnetico, che, proprio come il campo elettrico, è un campo vettoriale. Ciò significa che in ogni punto dello spazio circostante si può definire un vettore campo magnetico, caratterizzato da una determinata intensità, direzione e verso. Il nostro pianeta presenta un debole magnetismo (da 25 a 65 microtesla), di conseguenza agisce come un magnete a barra la cui orientazione individua l'asse magnetico del pianeta, che tuttavia non va confuso con l'asse di rotazione che individua il Polo Nord ed il Polo Sud geografico.

Mentre l'asse di rotazione è quasi fisso e costante nel tempo (fatta eccezione per eventi come grandi terremoti come quello del Tōhoku che sono capaci di spostare l'asse terrestre di qualche centimetro), il campo geomagnetico (e con esso l'asse magnetico del pianeta) è irregolare e mutevole a causa dei continui movimenti del nucleo terrestre (dinamo interna). Nel 2010 il polo nord magnetico era situato nell'Artico canadese a circa 1000 Km dal polo nord geografico, ma nel corso degli anni è avvenuta una sua migrazione verso la Siberia che ha ridotto la distanza dal polo nord geografico, mentre il polo sud magnetico è attualmente situato al largo della costa dell’Antartide, nel Mare Dumont d'Urville e dista circa 2800 Km dal polo sud geografico. Nel 1909 il Polo Sud Magnetico era situato nel territorio della Terra della Regina Vittoria.

La bussola è uno strumento utilizzato per la navigazione che indica la direzione in base ai poli magnetici del pianeta e si costruisce con un'asta magnetica, una rosa dei venti, una capsula trasparente (generalmente realizzata in vetro) ed una ghiera di regolazione. La bussola, essendo realizzata con materiali magnetici, si orienta basandosi sul campo magnetico, di conseguenza essa indica i poli magnetici e non quelli geografici.

La Terra possiede uno scudo naturale, noto come magnetosfera, generato probabilmente dai movimenti del nucleo ferroso fuso situato al suo interno. Questo nucleo non solo produce calore, ma origina anche intensi campi elettromagnetici che avvolgono il pianeta. Il vento solare (un flusso di elettroni e protoni provenienti dal Sole) colpisce la magnetosfera, comprimendola sul lato rivolto verso il Sole e allungandola sul lato opposto. Tuttavia, grazie a questo scudo, la maggior parte delle particelle viene deviata, impedendo che raggiungano direttamente la superficie terrestre. L’interazione tra il vento solare e la magnetosfera dà origine a spettacolari fenomeni luminosi nelle regioni polari, noti come aurora boreale (nell’emisfero nord) e aurora australe (nell’emisfero sud). Queste aurore si verificano quando le particelle solari eccitano gli atomi dell’atmosfera terrestre, che in risposta emettono luce visibile.

Magnetismo dei materiali

Un materiale sottoposto a campo magnetico esterno può avere diversi comportamenti. Il meccanismo fisico responsabile è la polarizzazione magnetica dei materiali.

I materiali diamagnetici si oppongono debolmente a un campo magnetico esterno, generando una magnetizzazione di verso opposto, per cui risultano leggermente respinti. Esempi comuni includono l’acqua, molte sostanze organiche (come il DNA e le plastiche) e metalli come rame, oro, argento, bismuto e mercurio. I superconduttori rappresentano casi estremi di diamagnetismo, poiché espellono completamente il campo magnetico attraverso il cosiddetto effetto Meissner.

I materiali paramagnetici si distinguono per il fatto che, quando sono esposti a un campo magnetico esterno, sviluppano una magnetizzazione nello stesso verso del campo, risultando così debolmente attratti da esso. Tra i materiali che mostrano questo comportamento si trovano, ad esempio, l’aria e l’alluminio.

I materiali ferromagnetici si magnetizzano fortemente in presenza di un campo magnetico e mantengono la magnetizzazione anche dopo che il campo viene rimosso. Questa proprietà però scompare oltre una certa temperatura, detta temperatura di Curie (circa 770 °C per il ferro), sopra la quale il materiale si comporta come paramagnetico. I materiali antiferromagnetici appaiono magneticamente neutri sotto un campo esterno, a causa dell’allineamento antiparallelo dei momenti magnetici degli atomi. Sopra una temperatura detta di Néel, però, diventano paramagnetici. Un esempio tipico è il diossido di manganese (MnO₂). I materiali ferrimagnetici (da non confondersi con i materiali ferromagnetici) presentano una struttura simile a quella degli antiferromagnetici, con momenti magnetici atomici orientati in modo antiparallelo. Tuttavia, questo allineamento non è perfettamente bilanciato, per cui una parte del campo magnetico non si annulla del tutto, generando un comportamento complessivamente simile a quello dei ferromagnetici.

I vetri di spin hanno una distribuzione probabilistica degli spin interni per cui possono mostrare in modo casuale proprietà sia ferromagnetiche che antiferromagnetiche.

Formule matematiche ed unità di misura

L'intensità del campo magnetico (B) si calcola con la seguente formula matematica:

$B=\frac{F}{qv\sin \theta }$

• B: rappresenta l'intensità del campo magnetico;
• F: rappresenta l'intensità della forza che agisce sulla carica;
• q: rappresenta la carica che agisce sul punto interessato;
• v: rappresenta il modulo della velocità della carica;
• θ: rappresenta la l'angolo formato dalla velocità e dal campo magnetico (0 ≤ θ ≤ 180°).

Il rapporto tra l'intensità del campo nel mezzo (B) e l'intensità del campo nel vuoto (B0) è invece chiamato permeabilità magnetica relativa.

${\mu }_r=\frac{B}{B_0}$

Nel Sistema Internazionale di unità di misura (SI), il campo di induzione magnetica (indicato con B) si esprime in tesla (simbolo T), mentre il campo magnetico (indicato con H) si misura in ampere per metro (A/m). Nel sistema CGS (centimetro-grammo-secondo), oggi meno utilizzato, l’intensità del campo magnetico si misura in oersted, mentre la densità di flusso magnetico viene espressa in gauss.

Confronto tra tipologie di magneti

Tipo di magnete	Magnetizzazione	Resistenza alla corrosione	Stabilità termica	Applicazioni	Prezzo di mercato	Fragilità
Neodimio (NdFeB)	Permanente, elevata forza magnetica	Bassa	Moderata	dischi rigidi, sensori, piccoli motori	Alto	Alta
Samario Cobalto (SmCo)	Permanente, alta forza magnetica	Alta	Molto alta	Frigoriferi, motori, dischi rigidi	Molto alto	Alta
Ferrite (ceramica)	Permanente, forza magnetica moderata	Molto alta	Alta	Frigoriferi, motori, dischi rigidi	Basso	Alta
Alnico (alluminio-nichel-cobalto)	Permanente, forza magnetica moderata	Moderata	Molto alta	Frigoriferi, motori, dischi rigidi	Alto	Moderata
Polimeri (gomma magnetica)	Permanente, forza magnetica bassa	Alta	Alta	Supporti pubblicitari	Basso	Bassa
Elettromagneti	Variabile	Variabile	Variabile	Gru, trasformatori, apparecchi MRI	Variabile	N/A
Superconduttori a bassa temperatura (NbTi, Nb₃Sn)	Variabile, magnetizzazione attiva a temperature estremamente basse	Alta (NbTi), Bassa (Nb₃Sn)	Moderata	Levrazione, fisica delle particelle	Basso	Alta
Superconduttori ad alta temperatura (YBCO, BSCCO)	Variabile, magnetizzazione attiva a temperature estremamente alte	Bassa	Bassa	Levrazione, fisica delle particelle	Alto	Alta
Elettropermanenti	Permanente + reversibile	Variabile	Variabile	Soluzioni industriali evolute	Variabile	N/A

Voci Correlate

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