Magnetismo

Magnetismo

Il magnetismo è il Ramo della fisica che studia le interazioni magnetiche tra corpi e le proprietà della materia connesse a tali fenomeni. Forze di carattere magnetico si manifestano tra cariche elettriche in movimento, quindi esiste una stretta relazione tra elettricità e magnetismo. L'apparato concettuale comune a questi due tipi di forze si chiama teoria elettromagnetica.

Recentemente l'osservazione dei fenomeni magnetici ha fornito importanti indizi per lo studio della struttura atomica della materia.

Storia degli studi sul magnetismo

Le proprietà magnetiche di alcuni materiali erano già note agli antichi greci, ai romani e ai cinesi: presso questi popoli infatti era conosciuta la capacità dell'ossido di ferro chiamato magnetite di attrarre limatura di ferro. Essi inoltre osservarono che una sbarretta di ferro a contatto con frammenti di magnetite si magnetizza, cioè diventa un magnete naturale: alle estremità si producono un polo nord e un polo sud magnetici. Poli simili si respingono, mentre poli diversi si attraggono.

L'uso della bussola per la navigazione in Occidente e le prime ricerche sul comportamento dell'ago magnetico risalgono pressoché al 1200, ma il primo studio organico dei fenomeni magnetici si trova nell'opera De magnete pubblicata nel 1600 dal fisico William Gilbert. Lo scienziato, utilizzando un ago magnetico e una calamita di forma sferica, osservò che la Terra stessa si comporta come un'enorme calamita e, attraverso una serie di esperimenti condotti con metodo scientifico, riuscì a sconfessare le nozioni scorrette sul magnetismo fino ad allora ritenute valide.

Nel 1750, il geologo John Michell inventò una bilancia con la quale mostrò che l'intensità della forza attrattiva o repulsiva tra due poli magnetici è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Successivamente Charles-Augustin de Coulomb, a cui si deve la descrizione completa della forza tra cariche elettriche, verificò e sviluppò le osservazioni di Michell con grande precisione.

Teoria elettromagnetica

A partire dalla fine del XVIII secolo le teorie dell'elettricità e del magnetismo furono portate avanti di pari passo. Nel 1819 Hans Christian Oersted osservò che un filo conduttore percorso da corrente elettrica esercita una forza su un ago magnetico posto nelle vicinanze. Questa scoperta, che portò un'ulteriore prova della relazione tra elettricità e magnetismo, fu seguita dagli studi di André-Marie Ampère sulle forze agenti tra fili percorsi da corrente, e di Dominique-François-Jean Arago, che magnetizzò un pezzo di ferro semplicemente muovendolo in direzione di una corrente elettrica. Nel 1831 Michael Faraday scoprì che una variazione del campo magnetico che investe un conduttore può indurre in esso una corrente elettrica (Vedi Induzione elettromagnetica) l'effetto contrario fu poi osservato da Oersted, il quale, sulla base dei suoi precedenti esperimenti, concluse che una corrente elettrica che circola in un filo conduttore genera a sua volta un campo magnetico.

A James Clerk Maxwell si deve la formulazione organica dell'elettromagnetismo sintetizzata nelle famose quattro equazioni che descrivono in modo correlato fenomeni elettrici e magnetici. Egli predisse inoltre l'esistenza delle onde elettromagnetiche e riconobbe la natura elettromagnetica della luce.

Gli studi successivi furono volti a individuare le origini atomiche e molecolari delle proprietà magnetiche della materia. Nel 1905 Paul Langevin diffuse una teoria che giustificava la dipendenza delle proprietà magnetiche di alcune sostanze dalla temperatura. Questa teoria fu uno dei primi esempi di descrizione di fenomeni macroscopici in termini di proprietà atomiche, e quindi microscopiche. In seguito la teoria di Langevin fu ampliata dal fisico francese Pierre-Ernst Weiss, che postulò l'esistenza di una sorta di campo magnetico 'molecolare' per spiegare l'origine delle proprietà dei materiali dal comportamento simile a quello del ferro.

Dopo la pubblicazione della teoria di Weiss iniziarono numerosi e dettagliati studi sulle proprietà magnetiche della materia. Con il modello atomico di Niels Bohr si comprese l'origine delle spiccate proprietà magnetiche degli elementi di transizione, come il ferro e gli elementi delle terre rare. I fisici Samuel Abraham Goudsmit e George Eugene Uhlenbeck dimostrarono nel 1925 che l'elettrone è dotato di spin e che il suo comportamento è riconducibile a quello di una barretta magnetica con momento magnetico definito. Va tenuto presente che il momento magnetico di un oggetto è una grandezza vettoriale che fornisce l'intensità e la direzione del suo campo magnetico e descrive il comportamento in un campo magnetico esterno. Il fisico tedesco Werner Heisenberg fornì poi una dettagliata spiegazione della teoria sul campo molecolare di Weiss sulla base dei principi della meccanica quantistica appena sviluppata.

Il campo magnetico

Oggetti magnetizzati o fili percorsi da correnti elettriche interagiscono con forze di natura magnetica. Queste forze possono essere descritte mediante il concetto di campo magnetico e rappresentate graficamente con un insieme di linee di forza o di campo . L'andamento delle linee di forza di un campo magnetico dipende dalla forma geometrica e dalle caratteristiche del magnete o del sistema di fili conduttori percorsi da corrente che lo generano; nel caso di un magnete a sbarra, ad esempio, esse emergono da una delle estremità, e poi si incurvano nello spazio circostante fino a raggiungere l'altra estremità e chiudersi all'interno della barra, dove sono vicine parallele. Alle estremità del magnete le linee di forza sono più fitte, il che corrisponde a una maggiore intensità del campo; sui lati invece il campo è più debole e quindi le linee sono più distanziate.

È possibile evidenziare la direzione e il verso delle linee di forza di qualunque campo magnetico per mezzo di un aghetto magnetico o di un po' di limatura di ferro. Infatti una bussola, che non è altro che un piccolo magnete libero di ruotare, posta in un campo magnetico tende ad allinearsi con le linee di forza del campo. Sparpagliando invece della limatura di ferro su un foglio di carta tenuto sopra un oggetto magnetizzato, questa tende a distribuirsi sul foglio in corrispondenza delle linee di forza del campo.

Oltre che su materiali magnetici, il campo magnetico agisce su particelle cariche in moto. Quando una particella si muove attraverso un campo magnetico, è soggetta a una forza, detta forza di Lorentz, diretta perpendicolarmente sia alla direzione del campo, che alla velocità della particella. Per l'azione della forza di Lorentz, la traiettoria di una particella carica all'interno di un campo magnetico viene incurvata e, in assenza di altre forze, risulta circolare. Questa proprietà viene sfruttata negli acceleratori di particelle e negli spettrometri di massa per controllare la traiettoria delle particelle cariche.

Tipi di materiali magnetici

Esistono diverse classificazioni dei materiali in base alle loro proprietà magnetiche.

La classificazione che distingue le sostanze in diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche è basata sulle diverse reazioni dei materiali sottoposti all'azione di un campo magnetico esterno. Quando una sostanza diamagnetica viene immersa in un campo magnetico, essa reagisce indebolendo il campo esterno con un piccolo momento magnetico diretto in verso opposto. Questo fenomeno è l'effetto macroscopico dell'induzione nel materiale di correnti elettriche atomiche, i cui singoli momenti magnetici hanno verso contrario al campo applicato. Sono molte le sostanze diamagnetiche: le più tipiche sono il bismuto metallico e alcune molecole organiche come il benzene, la cui struttura ciclica favorisce l'instaurarsi di correnti indotte.

Il comportamento paramagnetico riguarda materiali i cui atomi e le cui molecole sono per loro natura dotati di un momento magnetico proprio. In presenza di un campo magnetico esterno, i singoli momenti magnetici atomici tendono ad allinearsi lungo la direzione del campo applicato, rinforzandolo. I materiali paramagnetici contengono solitamente metalli di transizione o elementi delle terre rare, i cui atomi sono caratterizzati dalla presenza di elettroni spaiati. I fenomeni paramagnetici nei non-metalli dipendono generalmente dalla temperatura; più precisamente, l'intensità del momento magnetico indotto è inversamente proporzionale alla temperatura. Ad alte temperature infatti l'allineamento dei momenti magnetici atomici della sostanza lungo la direzione del campo magnetico è ostacolato dal moto vibrazionale di agitazione termica degli atomi stessi.

Una sostanza si dice ferromagnetica se è in grado di conservare un momento magnetico anche una volta rimosso il campo magnetizzante. Questo effetto è il risultato di una forte interazione tra i momenti magnetici atomici della sostanza. I materiali ferromagnetici sono divisi in piccole aree chiamate domini; all'interno di ogni dominio i momenti magnetici sono allineati in un'unica direzione. In presenza di un campo magnetico esterno i domini, che normalmente hanno un'orientazione casuale, si allineano secondo la direzione del campo applicato, determinando la magnetizzazione del materiale. L'energia spesa per smagnetizzare il materiale ferromagnetico magnetizzato si manifesta in un ritardo nella risposta, detto isteresi.

Al di sopra della cosiddetta temperatura di Curie, dal nome del fisico francese Pierre Curie che studiò il fenomeno nel 1895, i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà. Per il ferro metallico la temperatura di Curie è di circa 770 °C.

Altre classificazioni delle proprietà magnetiche

In seguito a recenti scoperte sulle origini atomiche delle proprietà magnetiche, sono state formulate altre classificazioni dei materiali. Si conoscono sostanze per le quali risulta energeticamente favorevole che i momenti magnetici si allineino in modo antiparallelo; queste sostanze sono quindi dette antiferromagnetiche. Al di sopra della temperatura di Néel, l'equivalente della temperatura di Curie, le proprietà antiferromagnetiche scompaiono.

Sono stati osservati anche altri comportamenti dei momenti magnetici atomici. Le sostanze ferrimagnetiche hanno almeno due tipi diversi di momento magnetico atomico, l'uno antiparallelo all'altro. Questi momenti sono di intensità diversa e quindi non si annullano; il risultato è perciò un momento magnetico netto. Secondo questa classificazione la magnetite risulta un ferrimagnete, e non un ferromagnete; infatti sono presenti nel materiale due tipi di ioni di ferro, ciascuno con un momento magnetico diverso.

Sono stati osservati anche sistemi più complessi, in cui i momenti magnetici sono disposti a spirale. Gli studi condotti in questo campo hanno fornito importanti informazioni sulle interazioni tra momenti magnetici nei solidi.

Applicazioni

Negli ultimi cento anni il magnetismo ha trovato numerose applicazioni. L'elettrocalamita, ad esempio, è la base del motore elettrico e del trasformatore. In tempi più recenti, inoltre, lo sviluppo di nuovi materiali magnetici è stato importante per la rivoluzione prodotta dal computer. La memoria dei computer può essere fabbricata mediante domini a bolla. Questi domini sono piccole regioni che presentano una magnetizzazione parallela o antiparallela rispetto alla magnetizzazione dell'intero materiale. A seconda della sua direzione di magnetizzazione ogni bolla indica un 1 o uno 0, nel sistema binario usato nei computer. I materiali magnetici sono anche impiegati per la fabbricazione di nastri e dischi in cui vengono immagazzinati dati.

In molte delle moderne tecnologie sono utilizzati grossi e potenti magneti. I treni a levitazione magnetica scorrono sulle rotaie per mezzo di forti magneti, evitando così il contatto e l'attrito tra ruote e rotaie dei treni convenzionali. Anche nella risonanza magnetica nucleare, un importante strumento diagnostico utilizzato in medicina, si usano forti campi magnetici. Inoltre, negli

attuali acceleratori di particelle si usano magneti superconduttori per mantenere i fasci di particelle su orbite definite e ben focalizzate.