In
fisica
il
magnetismo
e quel
fenomeno
per cui alcuni materiali sono in grado di attrarre il
ferro
nonche trasmettere tale capacita ad altri materiali.
Per estensione
semantica
, il magnetismo e anche la branca della
fisica
concernente il suddetto fenomeno. In particolare per fenomeni stazionari, ovvero non variabili nel tempo, si parla piu specificatamente di
magnetostatica
(che presenta alcune analogie formali con l'
elettrostatica
allorche si sostituiscano alle distribuzioni di
carica elettrica
le densita di
corrente elettrica
).
Per fenomeni dipendenti dal tempo invece i
campi elettrici
e
magnetici
si influenzano a vicenda. Come risultato degli studi svolti durante la prima meta dell'Ottocento da
Ørsted,
Ampere
,
Faraday
e molti altri, una descrizione unificata dei due campi fu ottenuta nel
1864
dallo scienziato
britannico
James Clerk Maxwell
all'interno della teoria dell'
elettromagnetismo classico
ovvero l'
elettrodinamica classica
.
L'esistenza di un magnetismo naturale era nota gia agli antichi
greci
(
V
-
VI secolo a.C.
), ma probabilmente ancora precedentemente era stato scoperto nell'antica
Cina
dove, si dice, fosse in uso un rudimentale prototipo di
bussola
magnetica.
Aristotele
riferisce che gia
Talete
affermava che la ≪pietra di
Magnesia
[...] avesse anima perche muove il ferro≫,
[1]
fornendo quindi una prima teoria in materia.
Pare che
Archimede
(287-212 a.C.) abbia cercato di magnetizzare le spade dell'esercito siracusano al fine di disarmare piu facilmente i nemici.
[
senza fonte
]
Plinio il Vecchio
, nella sua
Naturalis historia
, attribuisce l'etimologia del termine "magnete" ad un pastore cretese di nome "Magnes", il quale scopri casualmente le proprieta della
magnetite
appoggiandovi sopra il suo bastone con la punta in ferro.
[2]
Quello che e certo, comunque, e che gli antichi avevano scoperto la capacita di alcuni minerali (ad esempio la
magnetite
) di attrarre la limatura di
ferro
o piccoli oggetti ferrosi. Allo stesso modo,
Tito Lucrezio Caro
(99 a.C. - 55 a.C.) nel
De rerum natura
racconta un curioso esperimento elettromagnetico osservato a Samotracia (VI,or 1042 - 1048): ≪Avviene anche, talora, che da questa pietra s'allontani la natura del ferro, solita a fuggirla e seguirla a vicenda. Ho visto anche sobbalzare anelli ferrei di Samotracia, e limatura di ferra infuriare entro bronzei bacili, sotto cui fosse stato posto il magnete: tanto il ferro si mostra impaziente di fuggir dalla pietra. Per il frapporsi del bronzo si crea tanta discordia […].≫
[3]
Questa capacita di esercitare una
forza
a distanza ha dato fin dagli albori un particolare significato nei secoli al magnetismo. Tuttora nel
XXI secolo
si sente ancora talvolta parlare di
forze magnetiche
lasciando sottintendere un significato arcano e misterioso.
Il piu importante studio medievale sull'argomento e certamente la "epistola de magnete" di
Pietro Peregrino di Maricourt
(del
1296
),
[2]
che tra l'altro introduce il concetto e la terminologia dei due poli (Nord e Sud) della calamita, spiega come determinarne con precisione la posizione, ne descrive le interazioni reciproche, attrattive e repulsive, e propone l'esperimento della calamita spezzata. Nel
1600
apparve il "De magnete" di
William Gilbert
, che rimase a lungo il testo di riferimento sul tema del magnetismo. I primi studi quantitativi sui fenomeni magnetostatici si possono far risalire alla fine del
Settecento
- inizio dell'
Ottocento
ad opera dei
francesi
Biot
e
Savart
e, successivamente, di
Ampere
sempre in Francia.
Analogamente al caso elettrostatico anche nel magnetismo si individuano due sorgenti di campo di natura opposta che vengono convenzionalmente definiti
poli
. Come due cariche opposte si attraggono e due cariche simili si respingono lo stesso e per i poli magnetici. Usando come magnete di riferimento la
Terra
si parlera allora di
polo nord
e
sud
, in particolare il polo nord geografico corrisponde grossomodo al
polo sud magnetico
e viceversa. Una proprieta interessante dei magneti naturali e che essi presentano sempre sia un polo nord che un polo sud. Se si divide in due parti un magnete, tentando di "separarne" i due poli, si ottengono due magneti del tutto simili (ciascuno con una coppia di poli opposti).
Poiche il processo puo concettualmente proseguire all'infinito e ipotizzabile che il magnetismo naturale abbia origine nelle proprieta atomiche della materia. Considerando infatti ogni elettrone orbitale come una microscopica spira percorsa da corrente e tenendo anche conto del momento di
spin
si puo intuire che collettivamente questi possano contribuire, in un mezzo materiale, a presentare un campo magnetico macroscopicamente osservabile. In realta occorre tenere conto del fatto che i moti di agitazione termica tendono, in generale, a disporre casualmente tutti questi microscopici dipoli magnetici, cosi che normalmente l'effetto magnetico complessivo e nullo. Solo in taluni minerali, i
magneti
naturali, i micromagnetini si
autodispongono
secondo direzioni comuni formando su scala macroscopica le cosiddette regioni o
domini di Weiss
con dipoli tutti orientati nella stessa direzione.
Nel
Sistema Internazionale
l'unita di misura del
campo induzione magnetica
B
e il
tesla
(simbolo T), mentre per il
campo magnetico
H
si usa l'
ampere
/
metro
(A/m). Nel vecchio
sistema cgs
l'intensita del campo magnetico si misura in
oersted
ed il campo densita di flusso magnetico si misura in
gauss
.
I
monopoli magnetici liberi
, a tutt'oggi, non sono mai stati osservati sperimentalmente, sebbene previsti teoricamente negli
anni '30
da
Dirac
e
Majorana
. Cio conferisce una particolare proprieta alle
linee di forza
del campo magnetico: esse sono sempre chiuse e il flusso del campo attraverso qualsiasi superficie chiusa e nullo. Si puo dimostrare che da cio discende che il campo magnetico ha il medesimo flusso attraverso tutte le superfici che si
appoggiano
alla medesima curva chiusa. Un campo vettoriale con questa interessante proprieta e detto anche
solenoidale
. Nel settembre 2009 tuttavia, e stato isolato in una struttura molecolare cristallina, un quasi-monopolo magnetico.
[4]
Particolarmente rilevante e l'esistenza di un
magnetismo terrestre
. Il nostro
pianeta
presenta infatti un debole magnetismo (da 25 a 65 microtesla) con distribuzione del campo grosso modo equivalente a quella generata da un dipolo magnetico disposto lungo la direttrice Polo Nord - Polo Sud lentamente variabile nel tempo. Il
Polo Nord magnetico
e spostato di circa 1.000 km da quello geografico e si trova attualmente in territorio
canadese
.
La definizione di poli nord e sud e legata alla proprieta di un ago magnetico libero di ruotare senza attriti attorno al suo baricentro e di disporsi lungo le linee del suddetto campo di forze. Quanto al verso, dato che il "polo nord" e attratto dal polo opposto, il Polo Nord magnetico e fisicamente un "polo sud", in quanto attrae il polo nord dell'ago magnetizzato di una bussola.
Un materiale sottoposto a campo magnetico esterno puo avere diversi comportamenti. Di seguito i comportamenti principali. Il meccanismo fisico sottostante responsabile e la
polarizzazione magnetica
dei materiali.
I materiali diamagnetici sono caratterizzati dal fatto che in presenza di un campo magnetico esterno la
magnetizzazione
ha verso opposto rispetto al campo esterno, quindi questi materiali ne vengono debolmente "respinti".
Nell'esperienza comune le sostanze che manifestano un comportamento diamagnetico sono l'
acqua
, la maggior parte delle sostanze organiche (
DNA
,
oli
,
plastiche
) e alcuni metalli come il
mercurio
, l'
oro
, il
rame
, l'
argento
e il
bismuto
.
I
superconduttori
possono essere considerati diamagneti perfetti (
superdiamagnetismo
), in quanto espellono completamente il campo magnetico (
effetto Meisner
).
I materiali paramagnetici sono caratterizzati dal fatto che in presenza di un campo magnetico esterno la magnetizzazione ha lo stesso verso del campo esterno e quindi ne vengono attratti.
Esempi di materiali paramagnetici sono l'
aria
e l'
alluminio
.
I materiali ferromagnetici sono caratterizzati dal fatto di
magnetizzarsi
molto intensamente sotto l'azione di un campo magnetico esterno e di restare a lungo magnetizzati quando il campo si annulla, diventando cosi
magneti
. Questa proprieta si mantiene solo al di sotto di una certa
temperatura
, detta
temperatura di Curie
, al di sopra della quale il materiale si comporta come un materiale paramagnetico. Per il
ferro
, ad esempio, questa temperatura e di circa 770 °C.
I materiali antiferromagnetici sono caratterizzati dal fatto di presentare un comportamento apparente neutro sotto l'azione di un campo magnetico esterno, almeno fino ad una certa temperatura critica, detta di
Neel
, oltre la quale presentano un comportamento paramagnetico.
Un esempio tipico e il
diossido di manganese
(MnO
2
).
Tale comportamento e dovuto all'allineamento
antiparallelo
dei
momenti magnetici
degli atomi nel materiale, a differenza del caso ferromagnetico dove l'allineamento e parallelo, e che annulla completamente il campo esterno.
I materiali ferrimagnetici hanno una struttura simile agli antiferromagnetici ma in essi l'allineamento antiparallelo dei momenti magnetici atomici non e perfetto e il campo esterno non viene annullato, producendo un comportamento analogo a quello dei materiali ferromagnetici.
I vetri di spin hanno una distribuzione probabilistica degli spin interni per cui possono mostrare in modo casuale proprieta sia
ferromagnetiche
che
antiferromagnetiche
.
- ^
Aristotele
,
2
, in
Sull'anima
, A, p. 405a 19-21.
- ^
a
b
Paolo Manzelli,
Breve Storia del Magnetismo e dell'Elettricita
- ^
Tito Lucrezio Caro,
VI, 1042 - 1048
, in Armando Fellin (a cura di),
De rerum natura
, Torino, UTET, 2004, p. 473.
- ^
La prima volta dei monopoli magnetici - Le Scienze