Magnetismo

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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.

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.

Magnetismo dei materiali

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

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

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

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

• Elettromagnetismo
• Magnetite
• Magnesia
• Magnete
• Bussola