Magnetismo, elettromagnetismo e induzione elettromagnetica

Il magnetismo è la proprietà di alcuni corpi di attirare oggetti di natura ferrosa. I corpi che hanno questa proprietà sono detti magneti o calamite naturali, la magnetite (F4 O3) è un magnete naturale.
Alcune sostanze quali il ferro, il nichel e tutte le loro leghe possono acquistare con opportuni trattamenti questa proprietà. Queste sostanze sono dette magneti o calamite artificiali.
Una calamita attrae solo oggetti che contengono ferro.

La calamita è attiva solo agli estremi, che vengono detti poli. Il fenomeno del magnetismo si manifesta con una forza, detta forza magnetica, capace di spostare dei corpi già da una certa distanza e anche attraverso sostanze quali la carta, il legno, il vetro o l’acqua. Lo spazio che circonda un magnete ed è interessato da questa forza prende il nome di campo magnetico o spettro magnetico. In un campo magnetico la forza magnetica agisce secondo linee ben precisa dette linee magnetiche o linee di forza. Una calamita libera di ruotare si dispone sempre secondo la direzione del nord-sud geografico. Per convenzione i poli di una calamita vengono chiamati polo nord quello che si orienta verso il nord geografico e polo sud quello opposto. Poli dello stesso tipo si respingono, poli di tipo opposto si attraggono. Se spezziamo una calamita vedremo che ogni parte ha ancora i due poli; otterremo tante calamite in cui si sono mantenuti i due poli nord e sud. I poli magnetici non sono separabili. Una calamita naturale è infatti costituita da un numero infinito di piccolissimi magneti, i magnetini elementari, allineati ordinatamente. All’interno della calamita gli effetti delle coppie polo nord e polo sud si annullano a vicenda rimanendo attivi solo alle estremità, appunto i due poli.
Nei corpi di ferro, nichel, cobalto, acciaio e loro leghe sono presenti magnetini elementari disposti disordinatamente. Per tanto essi non manifestano proprietà magnetiche ma possono acquisirle tramite strofinio (si strofina sempre nello stesso verso il polo di un magnete sul corpo da magnetizzare), contatto o induzione. In particolare l’acciaio e l’almico (lega di alluminio, nichel e cobalto) si dicono magneti artificiali permanenti perché, a differenza di quelli temporanei, mantengono nel tempo le proprietà magnetiche ottenute.
Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Oersted scoprì l’elettromagnetismo osservando che un ago libero di ruotare veniva influenzato dal passaggio di corrente elettrica. Egli realizzò un circuito con il filo conduttore in direzione nord-sud fissata dai poli geografici. Al di sotto del filo, mise l'ago magnetico che si indirizzò spontaneamente lungo la stessa direzione del filo. Chiuse il circuito e notò che appena la corrente passava per il conduttore, l'ago magnetico deviava la propria direzione e se la corrente fornita era di alta intensità, la direzione diventava perpendicolare a quella del filo. Ne concluse che un conduttore percorso da cariche elettriche in movimento genera nello spazio circostante un campo magnetico e se la corrente è abbastanza intensa, l'ago punta in direzione perpendicolare alla direzione del filo. Le linee di forza del campo magnetico (B) generato da un filo percorso da corrente (i) sono circolari e concentriche tra loro (il centro comune è il filo per cui passa la corrente). Il verso del vettore-campo magnetico si intuisce con la regola della mano destra: puntando il pollice nel verso della corrente elettrica, le altre dita si chiudono nel verso del campo indicando così il verso del campo magnetico. Il tutto si può anche facilmente capire usando della limatura di ferro posta su un cartoncino attraversato da un filo conduttore. Dopo qualche secondo si nota che la limatura si dispone in maniera concentrica al filo conduttore. Da questo esperimento ha avuto origine il solenoide o bobina dai quali è possibile costruire un’elettrocalamita o elettromagnete, impiegato nei campanelli elettrici, nel telegrafo e nel telefono. Quando si preme il pulsante di un campanello il passaggio della corrente magnetizza un solenoide che attira verso di sé una lamina metallica elastica e un martelletto collegato alla lamina che colpisce la campanella. Il movimento della lamina interrompe i collegamenti e il solenoide si smagnetizza, permettendo un nuovo utilizzo. Dall’esperimento di Oersted sono nati anche i motori elettrici, dove la forza elettromagnetica mette in movimento le spire.
Nel 1831 il fisico inglese Michael Faraday compì l’esperimento inverso collegando le estremità del filo di un solenoide a un amperometro. Quando nel solenoide viene inserito un magnete, l’amperometro rileva un passaggio di corrente. Faraday stabilì con un semplice esperimento che un campo magnetico genera una forza anche nei confronti di conduttori attraversati da corrente elettrica. L'esperimento consiste nel porre un filo conduttore tra i due poli di un magnete. Questo filo è sorretto da un'intelaiatura che gli permette di muoversi solo in verticale. Quando si collega questo filo ad una batteria, la corrente attraversa il filo e si nota che esso si può muovere verso il basso o verso l'alto basandosi sulla regola della mano destra (dove il pollice indica il verso della corrente, l'indice il verso del campo magnetico e il medio lo spostamento del filo). Con questo esperimento Faraday comprese che un campo magnetico non genera solo una forza nei confronti dei magneti, ma anche nei confronti dei conduttori attraversati da corrente elettrica. Una variante dell'esperimento permette anche di misurare lo spostamento a cui è soggetto il filo conduttore. Per far ciò basta porre dei pesi dal lato opposto del telaio rispetto al filo e vedere con quale carico si raggiunge l'equilibrio. Da ciò si deduce che il movimento di una calamita e quello di un circuito elettrico rispetto a una calamita producono una corrente elettrica che dura fino a quando persiste il movimento; questa corrente è detta corrente indotta e il fenomeno che la produce è l’induzione elettromagnetica. Le applicazioni dell’esperimento di Faraday sono innumerevoli, tra queste anche le centrali idroelettriche.