Il magnetismo in fisica: spiegazione ed esempi

Le prime osservazioni dei fenomeni magnetici risalgono a tempi antichi, con storie di pietre magnetiche e bussola utilizzate dai navigatori per orientarsi. Tuttavia, per molti secoli, la comprensione esatta di come funzionasse il magnetismo e da dove provenisse rimase un mistero. L’avvento della fisica quantistica nel XX secolo ha portato nuove luci sul fenomeno, rivelando che le proprietà magnetiche sono intrinsecamente legate alla meccanica quantistica e alla struttura interna degli atomi. L’interazione tra il magnetismo e la fisica quantistica ha portato a una serie di scoperte rivoluzionarie e ha gettato le basi per la moderna scienza dei materiali, l’elettronica e l’informazione quantistica.

• Come è stato scoperto il magnetismo
• La calamita: il magnete per eccellenza
• Il campo magnetico
• Il campo magnetico terrestre
• Campo magnetico generato da corrente
• Elettrocalamita

Come è stato scoperto il magnetismo

La storia della scoperta del magnetismo ha inizio con l’osservazione di certe pietre naturali chiamate “magnetiti“. Gli antichi Greci, in particolare nella regione della Magnesia, furono tra i primi a notare che queste pietre avevano la straordinaria capacità di attirare piccoli pezzi di ferro. Questo fenomeno fu chiamato “magnetismo” proprio dal nome della regione. Durante il Medioevo, i cinesi iniziarono a utilizzare queste pietre magnetiche per realizzare bussole, strumenti che indicavano una direzione costante e che furono essenziali per la navigazione.

Nel corso dei secoli, molte ipotesi furono avanzate per spiegare il fenomeno del magnetismo. Alcuni credevano in forze mistiche o soprannaturali, mentre altri cercavano spiegazioni più terrene. Tuttavia, la svolta nella comprensione del magnetismo si ebbe solo con le ricerche di scienziati come Michael Faraday e James Clerk Maxwell nel XIX secolo. Faraday, attraverso i suoi esperimenti, mostrò l’esistenza di campi magnetici e la loro interazione con la corrente elettrica, mentre Maxwell, successivamente, formulò le sue famose equazioni, collegando elettricità e magnetismo in quello che oggi conosciamo come “elettromagnetismo“.

Tuttavia, la comprensione profonda delle origini microscopiche del magnetismo doveva ancora emergere. Solo con l’avvento della fisica quantistica all’inizio del XX secolo, gli scienziati iniziarono a comprendere che il magnetismo è strettamente legato al movimento degli elettroni negli atomi e alla loro “spin”, una proprietà quantistica intrinseca. La fisica quantistica ha rivelato che gli elettroni, girando attorno al nucleo atomico, generano piccoli campi magnetici e, quando questi campi si allineano in un materiale, possono dar luogo a proprietà magnetiche macroscopiche.

La calamita: il magnete per eccellenza

Ogni corpo che possiede la proprietà della magnetite di attirare oggetti di ferro è chiamato calamita o magnete.

Le due estremità della calamita rappresentano rispettivamente il polo nord magnetico e il polo sud magnetico.

Ai due poli la forza magnetica è particolarmente intensa.

Vediamo ora alcune caratteristiche fondamentali della calamita:

• La calamita attrae sostanze magnetiche che contengono ferro, acciaio, nichel, cobalto.
  Se ad esempio prendiamo una calamita e dei piccoli oggetti come spilli, chiodi, graffette, una gomma e un bottone vedremo che solo i primi tre verranno attratti, mentre la gomma e il bottone resteranno fermi perché non sono materiali ferrosi.
• Una calamita attrae corpi anche a distanza. Tra due sostanze magnetiche si esercita una forza magnetica che agisce a distanza come avviene per la forza gravitazionale e per la forza elettrica. Se ad esempio prendiamo uno spillo e lo appoggiamo su un piano orizzontale, avvicinando una calamita vedremo che lo spillo si muoverà già a distanza perché la forza magnetica agisce a distanza.
• Una calamita attrae corpi anche attraverso altri materiali. La forza magnetica agisce anche attraverso sostanze come la carta oppure il vetro o l’acqua. Se ad esempio prendiamo un foglio di carta e lo attacchiamo al calorifero con una calamita vediamo che questo rimane appeso al calorifero. Se continuiamo a rompere a metà i frammenti della calamita, otteniamo nuove calamite, sempre più piccole, ma ciascuna con i due poli. I poli magnetici si presentano in coppia e non possono essere isolati.

Il campo magnetico

La presenza di un magnete cambia le proprietà dello spazio ad esso circostante perché agiscono le forze magnetiche.

Infatti è presente un campo magnetico.

Prendiamo un ago magnetico libero di ruotare intorno ad un asse verticale passante per il suo baricentro e osserviamo che una sua estremità si orienta puntando in direzione del Polo Nord geografico. Questa estremità dell’ago magnetico sarà il polo nord, mentre l’altro polo opposto sarà il polo sud.

La Terra per questo motivo può essere considerata come un enorme magnete.

E’ possibile visualizzare le linee di forza del campo magnetico ponendo della limatura di ferro vicino ad una calamita. La limatura di ferro si disporrà lungo le linee del campo magnetico con maggior concentrazione in vicinanza dei poli. Questo accade perché ogni frammento di ferro si magnetizza e si orienta come se fosse un magnete di prova mettendo in evidenza le linee di forza del campo magnetico.

Il campo magnetico si dice uniforme quando le linee di forza sono rettilinee e parallele.

Il campo magnetico terrestre

Il pianeta Terra si comporta come un grande magnete generando un campo magnetico terrestre.

I poli magnetici della Terra sono molto vicini ai poli geografici e per questo si chiamano polo nord e polo sud.

Però dobbiamo porre attenzione al fatto che per il pianeta Terra in prossimità del Polo Nord geografico abbiamo il polo sud magnetico e viceversa.

Campo magnetico generato da corrente

Le cariche elettriche in moto generano un campo magnetico.

In generale il campo magnetico generato da un filo percorso da corrente è debole.

Questo significa che se si desidera generare un campo magnetico non serve avere una calamita, ma basta far scorrere corrente elettrica in un filo.

Per rendere più intenso il campo magnetico generato da un filo percorso da corrente si possono formare un anello o una spira.

L’intensità del campo magnetico dipende dalla distanza dal filo e aumenta con l’aumentare dell’intensità della corrente.

Elettrocalamita

Se inseriamo una barretta di ferro in una bobina di filo conduttore, otteniamo una elettrocalamita o elettromagnete.

È costituita da un nucleo in materiale ferromagnetico su cui è avvolta una bobina a molte spire di filo elettrico.

Lo scopo dell’elettromagnete è di generare un campo magnetico partendo dalla corrente elettrica.

L’elettromagnete funziona come una calamita che si accende e si spegne a comando.

Il dispositivo diventa più potente se si aumenta il numero delle spire della bobina o l’intensità della corrente.

Il ferro si magnetizza quando nella bobina passa la corrente elettrica e l’azione magnetica termina appena la corrente si interrompe.

Il campanello elettrico è l’esempio di applicazione dell’elettrocalamita. La corrente elettrica fornita premendo un bottone passa nel filo che avvolge una elettrocalamita. Questa si magnetizza e attira un martelletto di ferro che batte contro la campanella.