Magnetismo.

Parte della fisica che studia i fenomeni legati al campo magnetico e gli effetti che questo ha sulla materia. La scienza del m. ebbe origine dall'osservazione che certe pietre (magnetite) attraggono pezzetti di ferro. Il termine m. deriva dalla zona di Magnesia nell'Asia Minore, una delle località nelle quali furono trovati i suddetti minerali. Questi prendono il nome di magneti naturali e si distinguono dai magneti artificiali che si ottengono sottoponendo pezzi di ferro dolce all'azione di campi di induzione magnetica, generati da corpi già magnetizzati o da correnti elettriche. Nella seconda metà del XVIII sec. ebbero inizio i primi studi quantitativi di m., che portarono Coulomb alla scoperta della sua legge (V. COULOMB, CHARLES AUGUSTIN). Qualche decennio più tardi S.D. Poisson costruì le basi della magnetostatica applicando la teoria del potenziale allo studio delle forze che si esercitano fra corpi magnetizzati. Nel 1820 Oersted fu il primo a scoprire che una corrente in un filo può produrre effetti magnetici, sostanzialmente può cambiare l'orientamento di un ago magnetico. Questa importante scoperta contribuì a collegare le scienze, fino allora separate, del m. e dell'elettricità. Le ricerche di Oersted vennero proseguite da A. M. Ampère e da M. Faraday. Le leggi generali sull'elettromagnetismo trovarono infine sistemazione nel Trattato sull'elettricità e il m. di J.C. Maxwell. Le leggi di Maxwell però descrivevano soltanto il comportamento macroscopico delle sostanze elettriche e magnetiche senza collegarlo alla natura delle sostanze stesse. Lo sviluppo della fisica atomica e, in particolare, della meccanica quantistica hanno consentito lo studio più particolareggiato dei fenomeni magnetici e la scoperta di nuove importanti proprietà. ║ Fin dall'antichità esistono in natura dei minerali che oltre ad attirarsi o respingersi mutuamente, attirano il ferro e questo e altri corpi (detti ferromagnetici) posti a contatto con la magnetite o portati nelle sue vicinanze, acquistano le medesime proprietà; si dice allora che questi corpi si magnetizzano e tale nuovo stato può essere temporaneo (ferro) oppure (per certi acciai) durevole. È inoltre noto che il fenomeno più caratteristico che si manifesta sempre e ovunque si abbia movimento di cariche elettriche è quello dell'azione deviatrice sull'ago di una bussola posta nelle vicinanze; inoltre, tutte le volte che un conduttore in cui fluisce corrente elettrica viene portato in prossimità di un magnete naturale o di un magnete artificiale oppure di un secondo conduttore anch'esso percorso da corrente elettrica, si manifestano mutue azioni di forza tra i sistemi contrapposti. Possiamo riassumere quanto detto dicendo che un conduttore percorso da corrente e un magnete (naturale o artificiale) danno luogo, nello spazio circostante, a un nuovo stato di cose che chiamiamo campo magnetico, la cui presenza è rivelabile mediante le azioni deviatrici che si esercitano su aghi magnetizzati o le azioni di forza che si esercitano su circuiti elettrici chiusi. L'ago della bussola (e più in generale qualunque corpo magnetizzato) può essere caratterizzato mediante due poli magnetici: nord e sud. I poli di corpi magnetizzati diversi si respingono o si attraggono, mostrando una dualità di comportamento che ricorda quella delle cariche elettriche: poli magnetici eteronimi si attirano mentre poli magnetici omonimi si respingono. Ma se si spezza in due un magnete, le due polarità non si separano: infatti, sulle due parti della linea di rottura si formano due poli opposti e si ottengono due magneti più piccoli, ciascuno con i propri poli nord e sud. Così, mentre è possibile separare le cariche elettriche positive da quelle negative, non è possibile, comunque si suddivida un corpo magnetizzato immerso o meno in un campo magnetico, separare i poli nord dai poli sud. La inseparabilità dei poli nord e sud è una delle caratteristiche più salienti dei fenomeni magnetici ed è indice di una maggior complessità che si riflette sia sul piano operativo che su quello interpretativo. ║ Campo magnetico: nello spazio circostante un magnete (come anche nel magnete) agisce un campo magnetico rappresentato visivamente mediante linee di forza che si chiudono attraverso il magnete. È necessario associare alle linee di forza un verso (vettore di campo): il polo Nord è la loro sorgente rispetto allo spazio esterno. Nell'immediato intorno di un magnete molto lungo le linee di forza escono in tutte le direzioni approssimativamente rettilinee; l'intensità del campo, e quindi l'azione su un polo di un altro magnete dello stesso tipo, a distanza r, è proporzionale a 1/r² (legge di Coulomb). L'intensità del campo di un piccolo magnete di momento pd (momento = intensità del campo p X distanza d fra i due poli), a distanza r maggiore di d, è proporzionale a pd · 1/r³. Un magnete completamente libero di muoversi subisce in un campo magnetico H un momento magnetico angolare meccanico pd · H senφ, se l'asse del momento magnetico pd forma l'angolo φ con la direzione del campo. Il momento angolare è nullo se (φ = 0) magnete e campo sono paralleli. I campi magnetici sono prodotti con magneti permanenti, elettromagneti o solenoidi. Campi di massima intensità si ottengono con magneti a ferro di cavallo. Il campo magnetico di un solenoide (una lunga bobina arrotolata in una o più posizioni) percorso da una corrente di i Ampère ammonta nella parte mediana ad H = Ni/l amperspire (N numero delle spire, l lunghezza del solenoide), negli estremi a un valore uguale esattamente alla metà di questo. Ricordiamo inoltre che ogni spazio in cui agisce un campo magnetico contiene energia magnetica di campo; la densità di energia (energia per cm²) nel vuoto è proporzionale ad H². ║ Effetti del campo magnetico sulla materia: tutti i fenomeni magnetici si basano, secondo le nostre concezioni sulla struttura della materia, sul fatto che ogni atomo si può considerare come un insieme di microscopici circuiti elettrici, costituiti dagli elettroni in rapidissimo movimento intorno al nucleo. A seconda della disposizione degli elettroni negli atomi, nelle molecole, nei cristalli, si fa distinzione fra paramagnetismo, diamagnetismo e ferromagnetismo. Prescindendo da casi eccezionali, la forza esercitata da un campo magnetico su corpi paramagnetici e diamagnetici ha un ordine di grandezza minore di quella esercitata su sostanze ferromagnetiche. le proprietà magnetiche delle diverse sostanze si possono riassumere nella relazione che intercorre tra i vettori intensità di campo e intensità di magnetizzazione . Tale legame può essere studiato sperimentalmente mediante appositi dispositivi che consentono la misura contemporanea di queste due grandezze. a) Sostanze diamagnetiche. L'intensità di magnetizzazione risulta proporzionale al campo magnetico e diretta in verso opposto. La costante di proporzionalità è caratteristica della sostanza impiegata e prende il nome di suscettività magnetica (χ); date le dimensioni di e essa è un numero puro e risulta negativa: = χ . L'induzione magnetica vale = µ₀µ_r , avendo indicato con µ₀ la permeabilità magnetica relativa al vuoto e con µ_r = 1 + χ la permeabilità magnetica relativa. Le permeabilità magnetiche relative per le sostanze diamagnetiche sono minori dell'unità, mentre la suscettività χ (negativa) è molto piccola in valore assoluto (dell'ordine di 10^-5 –10^-6); l'esperienza mostra che essa è indipendente dalla temperatura del materiale. b) Sostanze paramagnetiche. L'intensità di magnetizzazione è proporzionale a e diretta nello stesso verso. Anche in questo caso si può scrivere = χ e = µ₀ µ_r . La suscettività χ è positiva e piccola in valore assoluto (dell'ordine di 10^-4 -10^-5). La permeabilità magnetica µ_r è maggiore dell'unità. In entrambi i casi considerati (sostanze dia e paramagnetiche) il coefficiente di proporzionalità tra e si indica con µ = µ₀ (1+χ) = µ₀ µ_r e µ chiamasi permeabilità magnetica del mezzo. c) Sostanze ferromagnetiche. Appartengono a questa categoria sostanze quali ferro, cobalto, nichel e un grande numero di leghe costituite da questi elementi e da altri. La magnetizzazione delle sostanze ferromagnetiche è un fenomeno assai complicato, ancora oggi non interamente spiegato. Senza entrare nei dettagli ricordiamo che esso consiste nell'orientamento dei momenti magnetici elementari esistenti nell'interno della sostanza; ma questi momenti magnetici elementari non sono quelli dei singoli atomi o molecole, ma piuttosto quelli di aggregati di dimensioni microscopiche, costituite da un gran numero di atomi e molecole (regioni o domini di Weiss): all'interno di ciascuna regione i momenti magnetici-atomici sarebbero tutti paralleli e concordi, ma i momenti magnetici delle diverse regioni sarebbero, in assenza di magnetizzazione, orientati a caso. A costituire il momento magnetico di una regione di Weiss contribuirebbe una forte interazione tra atomi adiacenti essenzialmente attraverso i momenti magnetici propri di ciascun elettrone. In particolare, il fenomeno della saturazione magnetica di un materiale ferromagnetico si spiega con l'ipotesi del progressivo orientamento, sotto l'azione di un campo esterno crescente, dei momenti magnetici delle microscopiche regioni di Weiss. Si raggiunge la saturazione quando questi risultano tutti orientati, e il momento magnetico per unità di volume non può evidentemente crescere ulteriormente. In realtà il processo è alquanto più complicato perché quando si magnetizza una sostanza ferromagnetica si hanno due effetti: uno è l'aumento delle dimensioni delle regioni orientate nella direzione del campo a spese delle altre che non lo sono; il secondo consiste nella possibilità di ogni regione di ruotare rigidamente assumendo una direzione più vicina a quella del campo. Le sostanze ferromagnetiche perdono gradualmente le loro proprietà al crescere della temperatura, comportandosi come sostanze paramagnetiche per temperature superiori a un certo valore critico (punto di Curie), caratteristico di ogni sostanza. Le sostanze paramagnetiche sono quelle per le quali il punto di Curie è molto al di sotto delle temperature ordinarie. Per il ferro, invece, la temperatura di Curie è intorno ai 1.000 °C. Nel caso di sostanze ferromagnetiche µ_r e µ non sono delle costanti, come per le sostanze dia e paramagnetiche, ma dipendono esse stesse da . I corpi ferromagnetici presentano, rispetto a molte proprietà fisiche, notevoli particolarità, dette spesso anomalie ferromagnetiche: calore specifico, dilatazione termica, conducibilità elettrica e termica, effetti termoelettrici. Il calore specifico delle sostanze ferromagnetiche risulta la somma del normale valore termico e di una parte "magnetica": per le sostanze ferromagnetiche è quindi maggiore del normale. All'avvicinarsi alla temperatura di Curie il calore specifico aumenta fortemente, calando, oltre la temperatura di Curie, al valore normale per gli altri metalli. La resistenza elettrica specifica è fortemente diminuita nella zona ferromagnetica, rispetto ai valori per gli altri metalli; il suo coefficiente di temperatura cresce rapidamente fino alla temperatura di Curie per cadere poi al valore normale. Un comportamento analogo presenta la conducibilità termica. ║ M. stellare: l'esistenza di intensi campi magnetici sulle stelle, prevista già dal 1892 da Schuster, è stata accertata sperimentalmente da Babcock all'osservatorio di M. Wilson nel 1947, mediante misura dell'effetto Zeeman su sottili righe metalliche dello spettro di stelle in rapida rotazione. Babcock ha potuto appurare la presenza di un campo magnetico dell'intensità di 1.500 gauss al polo nelle stelle 78 Virginis e γ Equulei. Il Sole possiede un campo magnetico con intensità media di 1 o 2 gauss, ma ancora non perfettamente noto: in particolare non è noto se esso sia variabile con il tempo. Sul Sole esistono però alcuni campi magnetici locali, strettamente collegati all'attività solare, associati alle macchie nel cui centro si riscontra il massimo di intensità. Deboli campi magnetici si osservano prima che appaiano le macchie e subito dopo la loro scomparsa. Lo studio dei campi magnetici solari è quindi un mezzo più utile dell'osservazione visuale per rilevare eventuali perturbazioni solari. Alcune stelle, le cosiddette stelle magnetiche, manifestano fortissimi campi magnetici con notevoli variazioni periodiche. Oggi è accettata l'ipotesi dell'esistenza di un campo magnetico interplanetario. Tale ipotesi è basata sul fatto che il materiale continuamente emesso dal Sole è fortemente ionizzato e, in quanto tale, ha la proprietà di trascinare con sé il campo magnetico solare. Esiste anche un campo magnetico interstellare le cui linee di forza passano per il piano della Via Lattea. Si rivela attraverso fenomeni vari come, ad esempio, la polarizzazione che la luce di alcune stelle subisce nell'attraversare lo spazio in cui sia presente un campo magnetico e granuli di materia interstellare con esso interagente. ║ M. terrestre: la Terra è sede di un campo magnetico dell'intensità, alla superficie, di circa 0,5 gauss: la causa che produce questo campo si dice m. terrestre. La presenza del campo magnetico terrestre è rilevata dall'orientarsi dell'ago magnetico lasciato libero di muoversi intorno a un punto. La retta su cui si dispone l'ago magnetico è la direzione del campo in quel punto. Il piano verticale passante per la direzione del campo definisce con la sua intersezione con l'ellissoide terrestre il cosiddetto meridiano magnetico. Gli elementi che definiscono il campo magnetico terrestre in un luogo sono l'intensità (misurata dalla forza che agisce su un polo N isolato di m · 1), la declinazione (angolo fra la direzione del campo, cioè dall'ago magnetico, e il meridiano geografico) e l'inclinazione (angolo fra la direzione del campo e il piano orizzontale). La distribuzione dell'intensità è approssimativamente quella che produrrebbe un opportuno momento magnetico posto al centro della Terra: l'asse di tale dipolo ideale interseca la superficie terrestre in due punti opposti detti poli magnetici. Il polo nord geomagnetico (che corrisponde al polo sud del dipolo) si trova a 78°, 6 di latitudine e a 289°, 9 di longitudine Est. L'identificazione del campo magnetico terrestre con quello del dipolo ora detto è solo approssimativa e vale solo in media: ci sono infatti notevoli deviazioni per cui il campo differisce da quello teorico originato dal dipolo per valori che raggiungono 0,1 gauss. I luoghi in cui l'ago magnetico si dispone verticalmente si chiamano poli magnetici e si trovano l'uno a 74° di latitudine e 101° di longitudine Ovest, l'altro a -69° e 143° Est. L'intensità del campo magnetico terrestre appare essere diminuita del 5% nel corso degli ultimi 100 anni. Oltre a tali variazioni secolari, il campo magnetico terrestre presenta piccole variazioni giornaliere dei suoi elementi (intensità, declinazione, inclinazione); quando queste variazioni sono particolarmente accentuate prendono il nome di tempeste magnetiche. Queste interessano tutta la Terra pressoché contemporaneamente e la loro durata è dell'ordine di un giorno. Per la comprensione dell'origine del campo terrestre sono state discusse numerose possibilità plausibili teoricamente, ma non si è giunti a nessuna ipotesi in qualche modo sicura. Soprattutto è ancora aperto il problema delle relazioni tra le variazioni secolari e questa questione fondamentale. Possiamo accennare qui solo ad alcune considerazioni. Se il campo esterno provenisse da una magnetizzazione uniforme di tutto il corpo terrestre, tale magnetizzazione dovrebbe avere il valore di 0,075 gauss, un valore che solo raramente si misura in singole rocce ferromagnetiche. L'ipotesi che solo la crosta terrestre contribuisca al m. terrestre, è da escludere perché in tal caso la sua magnetizzazione specifica media dovrebbe essere di 8 gauss. Un'altra ipotesi, che cioè il nucleo terrestre sia composto di materiali ferromagnetici perché la temperatura di Curie sarebbe fortemente aumentata a causa dell'alta pressione, escluderebbe la notevole variazione secolare. D'altra parte la velocità della Terra è troppo piccola di alcuni ordini di grandezza per provocare un'orientazione dei momenti di spin e il formarsi di una componente parallela all'asse terrestre. Oggi si pensa anche a conseguenze ancora completamente oscure di una differenza nella velocità di rotazione della crosta e dell'interno della Terra; si deve pensare anche al campo magnetico di correnti terrestri, a correnti termoelettriche ed elettrochimiche e a effetti di induzione dovuti alle diverse velocità relative di parti della Terra. Influenze esterne sul campo magnetico terrestre si hanno dalla sovrapposizione al campo magnetico terrestre del campo magnetico galattico, che agisce sul sistema galattico, e dai campi magnetici delle correnti di elettroni (e ioni) provenienti specialmente dal Sole. Questi ultimi danno origine alle già citate tempeste magnetiche. Il campo magnetico terrestre presenta inoltre una variazione degli elementi del m. terrestre con una periodicità di 11 anni, corrispondente al periodo dell'attività solare.