Elettromagnetismo e storia

Tesina Maturità 2009

Andrea Cesari

Liceo Scientifico Leonardo Da Vinci – Maglie (LE)

Classe 5^A PNI Elettromagnetismo nella storia

Il campo geomagnetico

Sin dal tempo dei Greci, oltre 2500 anni fa, erano note le proprietà di un particolare minerale di ferro chiamato magnetite.

Successivamente in estremo oriente venne inventato il primo prototipo di bussola, perfezionata ad Amalfi nella prima metà del XIII secolo.

Grazie alla bussola furono possibili le grandi scoperte geografiche del 1400 – 1500. In meno di cinquant’anni, grazie a questo strumento, l’orizzonte delle conoscenze geografiche si allargò fino a comprendere tutte le terre emerse, con l’eccezione dell’Antartide e dell’Australia.

Nel 1600 il fisico inglese W. Gilbert (1540-1603), nel “De Magnete”, asserì che “l’intera Terra è un grande magnete”, il cui campo agisce sull’ago della bussola orientandolo in direzione nord – sud.

L’astronomo E. Halley (1656-1742) si accorse del mutamento di certe caratteristiche del campo magnetico terrestre, che ne indicavano uno spostamento verso Ovest.

Occorre però attendere fino al 1832 per avere una esatta configurazione del campo magnetico terrestre ad opera di K. F. Gauss (1777-1855), che per primo ne tracciò le linee di forza e ne iniziò lo studio dal punto di vista fisico-matematico.

La presenza del campo magnetico terrestre è rilevata da molti fenomeni direttamente osservabili; tra questi i più notevoli sono, come detto:

• L’azione orientatrice che subiscono i corpi magnetizzati;
• Il magnetismo indotto nei materiali ferromagnetici;
• La cattura da parte della Terra di particelle elettricamente cariche provenienti dallo spazio esterno.

Il campo magnetico terrestre (campo geomagnetico) può essere descritto supponendo di porre al centro del pianeta una barra magnetica il cui asse formi un angolo di 11° con l’asse di rotazione.

Tale barra genererà un campo magnetico, le cui linee di campo indicheranno la presenza di una forza magnetica la cui intensità diminuisce con l’aumentare della distanza dalla Terra.

Inoltre un ago magnetico, libero di oscillare sotto l’influenza di questa forza, si dispone parallelamente alla linea di campo secondo la direzione Nord-Sud, mettendo in evidenza uno spostamento dei poli geografici rispetto ai poli magnetici.

Ma il campo geomagnetico può solo essere approssimato a tale sistema. Infatti il campo magnetico di un corpo simile a una barra magnetica è un campo dipolare (presenta due poli verso i quali confluiscono le linee di campo), mentre il campo geomagnetico è solo prevalentemente dipolare.

Inoltre al di sopra di una certa temperatura, detta di Curie (≈ 500°C), i materiali magnetici perdono il loro magnetismo permanente. (Le sostanze perdono le loro caratteristiche ferromagnetiche, poiché si distruggono i domini di Weiss) ed assumono un normale comportamento paramagnetico.

Poiché tali temperature, nella Terra, si hanno a circa 20-30 Km di profondità, tale modello risulta insufficiente.

La dinamo ad auto-eccitazione

Il modello, ritenuto attualmente più prossimo alla realtà, è quello della dinamo ad auto-eccitazione.

Tale dinamo funziona nel seguente modo: una bobina di filo conduttore viene fatta ruotare all’interno di un campo magnetico.

In tali condizioni, ricordando che il flusso del campo magnetico

Φ = B × S = B · S · cos α

facendo ruotare la bobina, varia di conseguenza l’angolo compreso tra il vettore superficie (S) della bobina e il campo magnetico (B).

Ciò produrrà una variazione del flusso del campo magnetico, che secondo la legge sull’autoinduzione di Faraday-Neumann-Lentz, indurrà una corrente elettrica (f.e.m. autoindotta).

Facendo circolare poi questa corrente in un circuito, essa potrà essere utilizzata per mantenere costante il campo magnetico entro cui ruota la bobina.

Quindi, si comprende facilmente che, una volta innescato il sistema con un magnete esterno che induca un campo magnetico, il sistema continua a mantenere attivo tale campo fino a che la bobina continua a ruotare.

Nel caso della Terra il materiale conduttore in movimento è costituito dal nucleo esterno in metallo fuso, “agitato” da movimenti convettivi simili a quelli del mantello ma un milione di volte più veloci.

L’innesco del sistema potrebbe essere stato causato in origine dall’attraversamento di un campo magnetico sporadico, forse di origine solare, mentre erano già in atto i moti convettivi.

Il paleomagnetismo

Grazie alla conoscenza del campo geomagnetico possiamo anche studiare il campo geomagnetico del passato (paleomagnetismo).

Infatti quando la lava si raffredda, al suo interno si formano numerosi cristalli di minerali, alcuni dei quali (magnetite) sono particolarmente sensibili alla magnetizzazione.

Così questi minerali, se la lava non viene nuovamente fusa, conservano traccia, seppur lieve, del campo magnetico esistente nel momento della loro formazione.

Grazie a ciò si è potuto scoprire che il campo geomagnetico esiste da almeno 3,5 miliardi di anni.

Inoltre, analizzando la direzione della magnetizzazione delle rocce antiche, si è scoperto che essa è diversa da quella attuale, cambiando in base all’età della roccia, mettendo così in evidenza un’apparente migrazione del polo nord magnetico.

Con un’analisi più approfondita si è però notato che, per rocce della stessa età, ma provenienti da continenti diversi, la direzione era diversa.

Così si è pervenuti ad un’altra teoria, e cioè che in realtà fossero i continenti ad essersi spostati e non il polo nord magnetico.

Un’altra importante scoperta dovuta al paleomagnetismo è quella delle inversioni di polarità del campo geomagnetico.

Infatti molte rocce di età recente (quando i continenti avevano raggiunto la posizione attuale) hanno direzione opposta a quella del campo geomagnetico attuale.

Tale fenomeno si è notato anche in rocce più antiche, notando soprattutto che tali inversioni di polarità sono state continue.

È stato possibile quindi costruire una “scala stratigrafica paleomagnetica”, dove sono indicate tutte le inversioni di polarità che si sono susseguite negli ultimi 5 milioni di anni.

La nostra epoca dura da 700 mila anni e potrebbe essere prossima una nuova inversione di polarità.

Non si è a conoscenza di come avvengono tali eventi, ma si presuppone che il campo possa scomparire per un certo periodo di tempo, lasciando la Terra priva del suo scudo naturale contro alcune radiazioni cosmiche.

L’elettromagnetismo nella vita quotidiana

Ma l’elettromagnetismo è presente anche nella nostra vita quotidiana.

Infatti numerosissimi apparecchi da noi utilizzati nella quotidianità funzionano grazie a delle onde elettromagnetiche.

Alcuni di essi, di cui ne illustrerò il funzionamento, sono: RADIO, forno a microonde, televisione, cellulari.

Prima però bisogna precisare cosa sia l’elettromagnetismo e le onde elettromagnetiche.

L’elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica e le loro correlazioni (come ad esempio i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche e le correnti elettriche prodotte dai campi magnetici variabili).

La teoria dell’elettromagnetismo costituisce a tutt’oggi forse il migliore esempio di teoria scientifica, per la sua grande precisione, generalità e capacità di previsione, riuscendo per esempio a relazionare fenomeni apparentemente diversi quali l’elettricità, il magnetismo e la luce.

Le correlazioni tra elettricità e magnetismo

Il primo fisico a scoprire una prima decisiva correlazione tra elettricità e magnetismo fu Hans Christian Orsted, un fisico danese che, eseguendo un esperimento, noto oggi come esperimento di Orsted, intuì che un filo percorso da corrente elettrica generava attorno a sé un campo magnetico.

In seguito fu il chimico britannico Michael Faraday a condurre una simile esperienza (ribattezzata esperimento di Faraday), con cui dimostrò che un conduttore percorso da corrente, immerso in un campo magnetico, subisce una forza, che egli prontamente misurò, controbilanciandola con dei pesetti.

Spetta tuttavia ad Ampère la formulazione in chiave matematica della forza esercitata da un campo magnetico sulla corrente elettrica, tramite l’attenta osservazione di un esperimento, detto esperimento di Ampère: tra due fili di lunghezza l e distanza d, percorsi rispettivamente da una corrente di intensità i₁ e i₂, si esercita una forza il cui modulo è:

(dove μ₀ è la costante di permeabilità magnetica).

La forza fra i due fili è attrattiva se le correnti scorrono nello stesso verso, repulsiva se scorrono in versi opposti.

Grazie a questo esperimento si è potuti pervenire alla definizione dell’unità di misura ampere senza ricorrere alla nozione di coulomb.