Elettricità e magnetismo - il magnetismo

Magnetismo

La proprietà della magnetite di attirare la limatura di ferro era già nota a Talete di Mileto nel 600 a.C. Pezzi di questo minerale di ferro trovati a Magnesia, nell’Asia Minore, furono chiamati magneti.

Noi chiamiamo magnete, calamita o ago magnetico ogni corpo che possiede la proprietà della magnetite. Si possono costruire anche calamite artificiali. Per esempio, una sbarretta d’acciaio può essere magnetizzata, avvicinandola ad un pezzo di magnetite, oppure strofinandola con la magnetite sempre nello stesso verso. È ben noto che un ago magnetico, libero di ruotare intorno ad un asse verticale, si dispone in modo che una delle due estremità (sempre la stessa) si orienti verso il Nord terrestre e l’altra verso il Sud; le due estremità del magnete sono chiamate rispettivamente polo Nord o polo N e polo Sud o polo S. L’orientazione degli aghi magnetici trova applicazione anche nella bussola.

La proprietà dei magneti di attirare la limatura di ferro è accentuata in prossimità dei poli. Inoltre le calamite interagiscono tra loro con forze attrattive e repulsive che sono particolarmente intense in vicinanza dei poli. Poli di nome contrario si attraggono mentre poli dello stesso nome si respingono.

Sebbene teoricamente possano prevedersi poli magnetici separati, detti monopoli magnetici, i tentativi sperimentali di ricerca non hanno ancora dato risultati positivi. Infatti, se tagliamo in due una calamita (esperienza della calamita spezzata), si ottengono due magneti, in quanto nella regione del taglio si generano altri due poli di segno contrario. Continuando la suddivisione, si ottengono sempre da ogni magnete singolo due nuovi magneti. Dall’impossibilità di isolare i poli magnetici segue che per lo studio del magnetismo dobbiamo fare ricorso ad un piccolo ago magnetico. Su di esso l’effetto di un magnete si esplica con due forze opposte agenti sui due poli e formanti una coppia.

Campo magnetico

L’interazione tra due magneti s’interpreta come azione del campo magnetico generato da un magnete e agente sull'altro magnete. Più in generale diciamo che in una certa regione dello spazio è presente un campo magnetico tutte le volte che un ago magnetico è soggetto, in quella regione, ad azioni meccaniche, cioè ad un momento dovuto alle forze agenti sui suoi poli. Un ago magnetico, libero di ruotare, assume in ogni punto di un campo magnetico una ben determinata posizione di equilibrio, coincidente con quella in cui il momento della coppia di forze agenti sui poli è nullo. Per convenzione, come direzione del campo magnetico in un punto assumiamo quella della retta individuata dai due poli in un ago magnetico in equilibrio nel punto considerato; inoltre attribuiamo al campo magnetico il verso Sud-Nord dello stesso ago.

Ponendo una serie di aghetti magnetici in un campo magnetico si può osservare che essi, nella posizione di equilibrio, si dispongono su particolari linee, dette linee di campo o linee di forza, a cui si attribuisce per convenzione lo stesso verso del campo magnetico. Le linee di campo magnetico godono della proprietà che la retta tangente in ogni loro punto ha la stessa direzione del campo magnetico in quel punto. Se le linee di campo sono rette parallele, il campo magnetico è uniforme. Questo è, per esempio, il caso del campo generato tra le espansioni polari Nord e Sud del magnete i cui poli sono affacciati, in cui si può anche osservare che il verso delle linee di campo è diretto dal Nord al Sud.

Campo magnetico terrestre

Il fatto che il polo Nord di un ago magnetico sia rivolto verso il Nord geografico terrestre dimostra che la Terra stessa si comporta come un magnete, i cui poli Nord e Sud sono in prossimità rispettivamente del Sud e del Nord geografici. Fu William Gilbert (1544 – 1603) a scoprire che la Terra si comporta come un grosso magnete. Egli, dopo aver costruito un magnete a forma di sfera, detto Terrella, osservò che un ago magnetico sulla superficie della Terra ha un comportamento analogo a quello di un ago magnetico sulla superficie della Terra.

L’orientazione di un ago magnetico sulla superficie della Terra s’interpreta ammettendo che la Terra, come ogni altro magnete, genera nello spazio circostante un campo magnetico, detto campo magnetico terrestre. I Poli magnetici terrestri sono spostati rispetto a quelli geografici, e l’asse del campo magnetico è inclinato di circa 11° rispetto all’asse terrestre. In conseguenza di ciò la direzione del nord indicata dall’ago di una bussola si discosta dalla direzione del nord geografico. La declinazione magnetica di un luogo è appunto l’angolo fra la direzione del nord geografico e la direzione del nord magnetico. L’inclinazione magnetica, invece, è definita come l’angolo che un ago magnetico, libero di ruotare nel piano verticale, forma rispetto alla superficie terrestre. Dobbiamo aspettarci che all’equatore (per essere precisi all’equatore magnetico) l’ago si ponga parallelamente alla superficie orizzontale, mentre ai poli magnetici si disporrà verticalmente. Alle altre altitudini l’ago misurerà un’inclinazione magnetica i da cui, sia pure approssimativamente, si può risalire alla latitudine = ½ tan i. Gli angoli di declinazione ed d’inclinazione magnetica variano sia col tempo sia con la posizione della superficie della Terra.

Variazione secolare

Da 400 anni a questa parte il campo magnetico terrestre è stato oggetto di importanti studi e di costanti misurazioni, così che oggi si ha a disposizione una notevole mole di dati. Dal loro studio si deduce che i valori della declinazione, dell’inclinazione e dell’intensità del campo magnetico sono variate nel corso del tempo. Questo fenomeno è noto col nome di variazione secolare. Per fare un esempio che riguarda Londra, in questa città nel 1580 l’ago della bussola ruotava di 11° a est della direzione del nord geografico; nel 1660 coincideva con esso; nel 1820 era ruotato di ben 24° a ovest; mentre nel 1970 era di nuovo spostato di 7° a ovest della direzione del nord geografico.

Studiando le variazione secolari si è scoperto che il campo magnetico terrestre è dovuto all’interazione di due componenti che possono essere studiate separatamente. Vi è una componente maggiore, detta campo magnetico principale, che ha le caratteristiche di un dipolo e viene per ciò anche detto campo magnetico dipolare. Attualmente le coordinate del polo nord del campo magnetico dipolare sono approssimativamente 79° N 70° W, mentre quelle del polo sud magnetico sono 79° S e 110° E. Negli ultimi 150 anni questi poli hanno mantenuto la loro latitudine, mentre si sono spostati di circa 6° verso W. Vi è poi una componente più debole, nota come campo magnetico non dipolare, che è il maggior responsabile della variazione della declinazione magnetica; questa in media corrisponde a uno spostamento verso W di 0,1°/anno.

Le variazioni secolari riguardano non solo la declinazione magnetica, ma anche l’inclinazione e l’intensità. Dalle osservazioni compiute tra il 1830 e il 1960 risulta che l’intensità media del campo magnetico dipolare sia diminuita abbastanza linearmente a un ritmo del 5% circa al secolo. Se l’indebolimento continuasse con il ritmo attuale, fra circa 2000 anni la componente dipolare del campo magnetico si annullerebbe.

Origine del campo magnetico terrestre

Alle caratteristiche del campo magnetico che abbiamo appena descritto dobbiamo aggiungere, le inversioni periodiche della polarità. Nel loro insieme, esse mettono a dura prova le capacità dei geofisici che debbono studiare il problema dell’origine del campo magnetico terrestre, problema che non è ancora risolto in modo soddisfacente. L’idea che all’interno della Terra vi sia un’enorme barra di materiale magnetizzato capace di generare il campo magnetico è molto suggestiva e permetterebbe di farci un’idea semplice su come potrebbe essere generato il campo magnetico terrestre. Tuttavia quest’ipotesi non può essere vera perché qui esistono temperature superiori a quella oltre la quale i materiali magnetizzati perdono completamente la loro magnetizzazione.

Questo valore di temperatura, scoperto dal fisico francese P. Curie (1859-1906) e perciò detto punto di Curie, si trova tra 500 e 700° C. Una tale temperatura si raggiunge grosso modo attorno ai 25-30 km, per cui al di sotto di questa profondità non vi può esser nessun materiale magnetizzato permanentemente. Di conseguenza non possiamo l’esistenza di un magnete permanente come causa del campo magnetico terrestre. L’ipotesi su cui oggi si lavora è molto più complessa della precedente e si rifà alla possibilità di generare un campo magnetico per mezzo del movimento di cariche elettriche. Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Oersted (1777 – 1851) dimostrò con un esperimento che un filo percorso da corrente genera un campo magnetico, infatti, avvicinando un ago magnetico al filo percorso da corrente, questo si dispone perpendicolarmente alla linea di corrente-ago. Le linee di forza del campo magnetico generato dal filo sono circonferenze concentriche e il loro verso dipende dal verso della corrente (si può ricordare con la regola della mano destra, o della vite destrorsa, che avanza con il pollice nel verso della corrente).

Nel 1821, con un altro esperimento Michael Faraday dimostrò che un campo magnetico generato da un magnete genera una forza che agisce sul circuito percorso da corrente. (la direzione della forza può essere ricavata con la regola della mano destra). Una spira presenta, come un magnete, una faccia Nord e una faccia Sud a seconda che l’osservatore veda circolare la corrente rispettivamente in senso antiorario o orario. Quando, ad esempio, la faccia Nord della spira viene avvicinata al polo Nord o al polo Sud del magnete, viene rispettivamente respinta o attratta.

Tornando all’origine del campo magnetico terrestre, quest’ipotesi, rielaborata più volte, è stata suggerita inizialmente dai geofisici inglesi W. Elsasser ed E. Bullard ed è nota col nome di ipotesi della dinamo di autoeccitazione. Il principio del funzionamento della dinamo si basa sul fatto che, se un conduttore di corrente viene mosso in un campo magnetico, si produrrà in esso una corrente elettrica definita come corrente indotta. Vediamo ora come questo principio si può applicare al problema dell’origine del magnetismo terrestre. Supponiamo che la Terra fosse immersa in un campo magnetico iniziale anche debole, originato per esempio dal Sole.