Ipotesi sull'origine del campo magnetico

IPOTESI SULL'ORIGINE DEL CAMPO MAGNETICO

La prima e anche la più semplice interpretazione che è stata data al magnetismo terrestre è che, al centra della Terra, il nucleo ferroso si comporti come un dipolo permanente.
questa ipotesi è caduta quando è stato dimostrato sperimentalmente che la magnetizzazione di qualsiasi sostanza scompare al di sotto del punto di Curie, che per qualsiasi sostanza è molto più basso della temperatura che si ritiene sia presente nella parte più interna della Terra.

Nel 1919 Josehh Larmor (1857-1942), fisico all'Università di Cambridge, fornì una nuova ipotesi sull'origine del campo, egli ricondusse cioè il campo magnetico terrestre ad un effetto dinamo.

Il fisico statunitense Walter M. Elsasser e il geofisico inglese Edward C. Bullard, allora rispettivamente all'Università della California a San Diego e all'Università di Cambridge, hanno ripreso questa idea cinquant'anni fa e l'hanno applicata alle condizioni terrestri.

All'interno della Terra, e precisamente nel nucleo, esisterebbe una specie di dinamo (teoria della "dinamo autoalimentata" proposta da Bullard nel 1948) capace di produrre correnti elettriche generanti a loro volta il campo magnetico da noi misurato. Questa dinamo autoeccitante sarebbe costituita dal nucleo, fluido e ricco di ferro della Terra, rimescolato da continui moti convettivi prodotti dal calore radioattivo generantesi dal nucleo stesso.

Fluidodinamica: liquido in rotazione tra       due termostati a diversa temperatura
sviluppa moti vorticosi.
Nel nucleo terrestre: la simmetria assiale induce
moti vorticosi a
colonna con asse parallelo all'asse di
rotazione (conferma in laboratorio).

Tutto avrebbe inizio con la presenza di un casuale, anche se piccolo, campo magnetico che interagirebbe col ferro fluido in movimento, producendo correnti elettriche che a loro volta creerebbero un ulteriore campo magnetico, iniziando così un processo a catena autosostenuto, la già citata dinamo autoeccitante.

Il modello a dinamo è oggi il modello più probabile che possa spiegare il cmt.

Esso predice che l'origine del cmt è nel nucleo esterno liquido e prevede che il moto ciclico di un fluido elettricamente conduttore, sotto condizioni specifiche, genera un campo magnetico e lo mantiene tramite un processo di retroazione.

a) A causa della forza di Lorentz: F = q (E +v x B), le cariche sulla superficie circolare subiscono

ruotando una accelerazione e si stabilisce lungo il circuito una differenza di potenziale;

b) Il circuito esterno garantisce la continuità al flusso di corrente;

c) La corrente indotta genera a sua volta un campo magnetico che rinforza il campo originale;

Il comportamento delle correnti elettriche e  dei campi magnetici in conduttori elettrici in movimento - quali i fili metallici o i metalli fusi - viene determinato da tre leggi fondamentali dell'elettrodinamica:

• ogni conduttore elettrico percorso da corrente è circondato da linee di forza di campo magnetico;
• nei conduttori che vengono mossi trasversalmente rispetto alle linee di forza di un campo magnetico, viene indotta una tensione e scorre una corrente;  
• nei fluidi buoni conduttori elettrici, come alcuni metalli fusi, le linee di forza del campo magnetico sono come 'congelate' nella materia e si muovono come fasce elastiche.

A causa della rotazione del pianeta, che nel nucleo fluido raggiunge una velocità media dai 10 ai 30 metri al secondo, nascono invece intense forze di Coriolis che perturbano i moti ascensionali della materia fusa.

Charles Carrigan e Friedrich Busse riuscirono a confermare in modo convincente questi modelli grazie agli esperimenti che realizzarono alla fine degli anni settanta all'Università della California. In questi esperimenti Carrigan mise in rapida rotazione (circa 1000 giri al minuto) un liquido che riempiva una cavità a forma di guscio sferico.

Riscaldando la superficie esterna e raffreddando quella interna produsse un gradiente di temperatura in grado di determinare una corrente di convezione termica. Parallelamente all'asse di rotazione del liquido si formarono vortici cilindrici.

Grazie all'aiuto di potenti computer per rielaborare i dati questi esperimenti forniscono la chiara prova sperimentale che correnti vorticose in un conduttore quasi omogeneo possono produrre spontaneamente un campo magnetico permanente.

Confermano al contempo, in virtù dell'analogia con le ipotizzate strutture di corrente nel nucleo terrestre, il modello di una geo-dinamo.