Il magnetismo

Nel corso della storia, lo scopo principale della fisica è sempre stato quello di fornire una spiegazione unitaria dei diversi processi che avvengono in natura.

Quando ho spiegato le forze (in “Che forza!”), ho detto che ci sono quattro diversi modi in cui le varie particelle che compongono l’Universo si influenzano reciprocamente. Ognuno di questi modi è un’interazione, o, per dirlo in termini più comuni, una forza.

Le quattro forze note sono, in ordine: l’interazione nucleare forte, l’interazione elettromagnetica, l’interazione nucleare debole, l’interazione gravitazionale.

Ma non è sempre stato così. Quando, come ho spiegato in “La corrente elettrica”, i vari Coulomb, Galvani, Volta, Ampère, Faraday e Ohm si inventavano nuovi modi per far impazzire gli studenti del futuro, l’elettricità era una cosa e il magnetismo un’altra.

Dell’elettricità abbiamo già parlato, ma il magnetismo cos’è?

Il nome viene dall’antica città greca di Magnesia, presso la quale furono scoperte le prime “magnetiti”. La magnetite (o calamita naturale) è un ossido di ferro che ha proprietà magnetiche naturali. La tradizione vuole che Talete di Mileto sia stato il primo filosofo a descriverla, attorno al 550 avanti Cristo.

Questi pezzi di roccia avevano la capacità di attrarre il ferro nonché di trasmettere tale capacità ad altri materiali.

Uno degli esperimenti più comuni, che ancora oggi costituisce una fonte di divertimento per i giovani studenti di fisica, consiste nel cospargere di una fine limatura di ferro un foglio di carta posto sopra a una calamita, dando poi dei leggeri colpetti al foglio stesso: la limatura così scossa tende ad allinearsi formando degli archi diretti dal polo nord al polo sud del magnete.

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I magneti diventarono qualcosa di più di una semplice curiosità quando si scoprì che un ago di acciaio messo a contatto con una calamita restava magnetizzato e che, lasciato libero di ruotare in un piano orizzontale, esso finiva col disporsi approssimativamente lungo la direzione nord-sud. Naturalmente tale ago risultò di enorme utilità per i naviganti; esso divenne praticamente indispensabile per la navigazione oceanica.

 Non sappiamo chi fu il primo a collocare un ago magnetizzato su un perno e a chiuderlo in un contenitore, realizzando una bussola. Si dice che i primi a farlo furono i cinesi, che avrebbero trasmesso la loro invenzione agli arabi, i quali, a loro volta, l’avrebbero comunicata agli europei. Ma si tratta di notizie dubbie, forse solo di una leggenda. Ad ogni modo, nel dodicesimo secolo la bussola entrò nell’uso comune in Europa, e nel 1269 uno studioso francese, più noto con il nome latinizzato di Petrus Peregrinus, la descrisse dettagliatamente. Peregrinus chiamò “polo nord” e “polo sud” i due estremi del magnete che puntano rispettivamente verso i punti cardinali nord e sud.

 Naturalmente ci si chiese la ragione per cui un ago magnetizzato punta verso il nord. Poiché si sapeva che i magneti si attraggono tra loro, qualcuno pensò che esistesse, all’estremo nord, una gigantesca montagna di magnetite verso cui tendeva l’ago. Altri si dimostrarono ancora più fantasiosi, attribuendo ai magneti una sorta di “anima”.

 Lo studio scientifico dei magneti iniziò con William Gilbert, il medico di corte della regina Elisabetta I; fu Gilbert a scoprire che la terra stessa è un gigantesco magnete. Egli montò un ago magnetizzato in modo che potesse ruotare in un piano verticale (“bussola di inclinazione”): il polo nord dell’ago si orientò verso il suolo (“inclinazione magnetica”). Usando una calamita sferica come modello della terra, Gilbert trovò che l’ago si comportava allo stesso modo quando era situato sull’emisfero settentrionale della sua sfera. Gilbert pubblicò i risultati dei suoi esperimenti nel 1600 in un’opera classica, intitolata “De Magnete”.

 Gli scienziati discussero a lungo la possibilità che la terra avesse come nucleo un gigantesco magnete naturale. Pur essendo risultato vero che la terra ha un nucleo di ferro, oggi si sa che esso non può sicuramente essere un magnete, perché il ferro, riscaldato, perde le sue intense proprietà magnetiche (“ferromagnetismo”) a 760 gradi C, mentre la temperatura del nucleo terrestre deve essere di almeno 1000 gradi C.

Se il nucleo di ferro della terra non è esso stesso un magnete permanente, a causa della sua temperatura superiore a quella limite, si deve trovare un’altra spiegazione dell’azione della terra sull’ago della bussola. Tale spiegazione cominciò a emergere in conseguenza delle scoperte dello scienziato inglese Michael Faraday sulla relazione tra magnetismo ed elettricità.

Il lavoro di Faraday si basava sul lavoro del fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851), che nel 1820 fece una delle scoperte più importanti della storia della fisica, a quanto pare in modo del tutto inatteso: osservò che esisteva un legame tra magnetismo ed elettricità, ponendo le basi di quel ramo della fisica noto con il nome di elettromagnetismo. Avendo inviato una corrente elettrica lungo un filo di rame collegato ai due poli di una pila, Oersted osservò che l’ago di una bussola posta nelle vicinanze dell’apparecchiatura, inizialmente diretto parallelamente al filo in direzione Nord-Sud, subiva una rotazione di 90° e si disponeva perpendicolare al filo. Invertendo il verso della corrente, l’ago ruotava di 180°, invertendo la posizione dei suoi poli ma restando perpendicolare al filo percorso da corrente. La corretta interpretazione di Oersted fu che un filo elettrico percorso da corrente generava attorno a sé un campo magnetico.

Più in generale, l’esperienza di Oersted dimostrava che una corrente elettrica genera un campo magnetico. Prima di questo esperimento si era tentato di trovare un legame tra le cariche elettriche e i magneti, ma senza risultato, poiché di fatto un campo magnetico non ha alcun effetto su una carica elettrica in stato di quiete, ma soltanto su una carica in movimento. Infatti, solo le cariche elettriche in moto producono un campo magnetico.

Le linee di forza del campo magnetico generato da un filo percorso da corrente sono perpendicolari alla corrente in ogni punto: ciò significa che sono rappresentate da cerchi concentrici attorno al filo. Il verso delle linee di forza (la direzione del polo nord del magnetino di prova) è dato dalla regola della mano destra: afferrando il filo con la mano destra e puntando il pollice in direzione della corrente, le dita della mano indicano il verso delle linee di forza del campo magnetico generato dal filo. Le linee di forza inoltre sono tanto più fitte quanto più è intensa la corrente che passa nel filo e quanto minore è la distanza dal filo stesso.

Nel caso in cui la corrente percorra un filo avvolto a spira anziché un filo rettilineo, le linee di forza del campo sono ancora perpendicolari al filo in ogni punto e il suo verso è quello di una vite destrorsa che percorre il filo nel senso della corrente. Un filo percorso da corrente avvolto a spirali ravvicinate costituisce un solenoide. Un solenoide percorso da corrente produce anch’esso, naturalmente, un campo magnetico, prodotto dalla somma dei campi magnetici di ciascuna spira del solenoide. All’interno del solenoide le linee di forza del campo magnetico sono parallele, ovvero il campo è uniforme. Il campo magnetico prodotto da un solenoide percorso da corrente può perciò essere assimilato a quello prodotto da una sbarretta magnetica, i cui poli sono posti agli estremi del solenoide e dipendono dal verso della corrente.

L’intensità del campo magnetico prodotto da un solenoide può essere notevolmente aumentata applicando all’interno delle spire del solenoide una sbarra di ferro o di un altro materiale ferromagnetico: il solenoide magnetizza il ferro e il campo magnetico prodotto dal solenoide si somma a quello prodotto dal magnete artificiale. Un sistema di questo tipo viene chiamato elettromagnete. Gli elettromagneti sono molto usati nelle applicazioni tecnologiche: la forza di attrazione che possono esercitare dipende dal numero di avvolgimenti e dall’intensità della corrente che circola nelle spire e può raggiungere valori estremamente elevati. Piccoli elettromagneti si trovano per esempio nei campanelli e negli altoparlanti, mentre grossi elettromagneti sospesi a gru permettono di sollevare grandi quantità di materiali ferrosi negli impianti di trattamento dei metalli.

Non solo quindi un filo percorso da corrente esercita una forza su un magnete, generando un campo magnetico, ma vale anche il viceversa, ovvero un magnete esercita una forza su un filo percorso da corrente. Un campo magnetico genera dunque una forza che non si risente soltanto su un magnete, ma anche su un conduttore percorso da corrente. Ma poiché Oersted dimostrò che un conduttore percorso da corrente genera un campo magnetico, Ampère ne dedusse che due fili percorsi da corrente devono esercitare una forza l’uno sull’altro, ovvero attrarsi o respingersi a seconda del verso reciproco delle rispettive correnti. E infatti due conduttori rettilinei percorsi da corrente tendono ad attrarsi se sono percorsi da correnti che viaggiano nello stesso verso e tendono a respingersi se le due correnti hanno versi opposti.

Sull’attrazione tra due fili percorsi da corrente è basata la definizione dell’unità di misura della corrente elettrica, l’ampere: l’ampere infatti è definito come la corrente che, percorrendo due conduttori rettilinei paralleli, di lunghezza infinita, posti nel vuoto a una distanza di 1 m l’uno dall’altro, produce fra di essi una forza di 2·10−7 newton per ogni metro di lunghezza.

Dalle misure del campo magnetico terrestre si è trovato che i poli magnetici (che per comodità continueremo a chiamare rispettivamente nord e sud in corrispondenza dei poli geografici) non coincidono esattamente con i poli geografici. L’asse che li congiunge (asse del dipolo) forma con l’asse di rotazione della Terra un angolo di 11° 05′ e incontra la superficie della Terra in due punti situati rispettivamente vicino a Thule, in Groenlandia (polo Nord geomagnetico) e vicino a Vostok, in Antartide (polo Sud geomagnetico).

Quindi, con la prossima volta, chiuderemo con la fisica classica e scopriremo chi è l’assassino: sappiamo già che non è il maggiordomo!

3 pensieri riguardo “Il magnetismo

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