Il Magnetismo
Una questione
piuttosto “attraente”
http://www.tcd.ie/Physics/Schools/what/materials/magnetism/one.html
 Il termine “magnetismo” deriva dalla antica città di Magnesia,
sul confine fra Grecia e Macedonia dove molti magneti naturali,
ricchi di magnetite, Fe3O4, erano stati trovati nell’antichità.
Talvolta ci si riferisce a tali materiali col termine “calamite” (in
inglese lodestones o loadstone; “lode” = “to lead” o “to attract”).
 Plinio il vecchio (23-79 DC, Roma) scrisse di una collina vicino
al fiume Indo interamente fatta di una pietra che attraeva il
ferro.
 Plinio: indicò perfino lo scopritore, un
pastore della Magnesia, “Al quale i chiodi
delle scarpe e i denti della zappa rimanevano
attaccati al terreno mentre portava al
pascolo il suo gregge.”
 Questo fenomeno era inspiegabile – Talete
credeva che le calamite avessero un’anima!
Uso del Magnetismo  I Cinesi fin dal 121 DC sapevano che
una sbarretta di ferro avvicinata ad un
magnete naturale acquisisce e mantiene a
sua volta proprietà magnetiche … e che
questa sbarretta, sospesa e un filo e
libera di ruotare, si sarebbe sempre
orientata lungo una particolare direzione
allineandosi lungo l’asse geografico NordSud. Era nata la bussola (“compass”).
 Anche se è possible che la bussola
fosse in uso fin dal 400 AC, le prime
testimonianze dell’impiego di magneti per la
navigazione risalgono all’XI secolo. Le più
antiche descrizioni sono di Wu Ching Tsung
Yao, nel 1040 e Shen Kua nel 1088. A
quel tempo l’impero Cinese aveva una flotta
imponente le cui esplorazioni culminarono
coi viaggi dell’ammiraglio Zheng He.
European Navigation
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La conoscenza della bussola (compass) dalla Cina arriva in Europa.
Il primo resoconoto della bussola in Europa è in un poema francese del 1125.
La bussola è usata nel mar Mediterraneo dal1190 (Flavio Gioia, Amalfi).
Il suo utilizzo permette le grandi avventure transoceaniche del XV secolo.
La bussola si dimostra una delle più importanti invenzioni della storia.
Prime Teorie sul Magnetismo
Petrus Perigrinus scrisse: “Epistola de
Magnete” nel 1269. Fece esperimenti
con un magnete sferico e propose una
macchina basata sul moto perpetuo
sfruttando “l’energia magnetica”.
Nel 1600, William Gilbert scrisse “De
Magnete“, una delle più importanti
antiche pubblicazioni di scienza. Egli
teorizzo per primo che la Terra
stessa fosse un magnete: "Magnus
magnes ipse est globus terrestis“
Nel XVIII secolo nacquero le teorie
moderne sull’elettromagnetismo
Modern Science Magnetism
 Occorre giungere al 1819 per la dimostrazione
della connessione fra fenomeni elettrici e
magnetici. Il danese Hans Christian Oersted
osservò che l’ago di una bussola è deviato se posto
in vicinanza di un circuito elettrico chiuso e
funzionante!
 Nel 1831 Michael Faraday scopre che nel
momento dell’accensione (o spegnimento) di un
circuito elettrico si osserva un momentaneo
passaggio di corrente anche in un circuito vicino.
 Poco tempo dopo, scopre che anche il
movimento di un magnete rispetto a un circuito
elettrico chiuso produce lo stesso effetto.
The Connection is Made
Ampere suggerì per primo nel 1820 che le proprietà
magnetiche dei materiali fossero dovute a deboli correnti
atomiche.
Tutto gli atomi mostrano proprietà magnetiche.
Il Medium (mezzo/fluido) in cui le cariche si muovono ha
importanti effetti sulle forze magnetiche osservate.
Oersted mostrò che le forze magnetiche possono essere
prodotte da cariche elettriche in movimento.
Faraday e Henry mostrarono che le correnti elettriche
possono essere generate muovendo dei magneti.
Maxwell riassunse tutte queste osservazioni in un
insieme ordinato di leggi fisiche (Equazioni di Maxwell).
Elettro-magnetismo
I Magneti producono forze – magnetic force – che agiscono in maniera simile
alle forze elettriche. I poli magnetici (Nord, Sud) si comportano come cariche
elettriche ( +, - ): poli opposti si attraggono, poli identici si respingono. L’entità
della forza dipende dalla distanza fra i poli.
Basta sospendere una sbarretta magnetica per avere una bussola. Una
estremità punterà verso N – il Nord geografico, l’altra verso S – il Sud
geografico. I Magneti hanno SEMPRE due poli N e S. Se si spezza una barretta
magnetica non avremo poli separati ma due nuovi magneti.
Lo spazio che circonda un magnete è permeato da un
campo magnetico. Le linee del campo sprigionano dal
polo Nord e rientrano dal polo Sud.
Più le linee sono concentrate più forte risulta il
campo. Una bussola posta entro un campo
magnetico, si orienta seguendo le linee del campo.
Lecture 2 - Magnetism
Linee di campo attorno a un magnete
Per ogni Nord, esiste un Sud …
… si è sempre a Sud di qualcun’altro
Ogni magnete ha almeno un polo Nord e un polo Sud.
Per convenzione, assumiamo che le linee di forza del campo
magnetico “escono” dall’estremità Nord del magnete ed
entrano nell’estremità Sud.
Se si spezza in due parti un magnete, ogni parte risultante
avrà nuovamente un polo Nord e un polo Sud. Se ancora
ognuna di queste parti fosse spezzata ulteriormente, ogni
pezzettino risulterà avere un polo Nord e un polo Sud,
indipendentemente dalla forma del pezzo risultante.
S
N
S
N S
N
I Mono-poli non sono ammissibili
Non è possibile individure un unico singolo polo Nord o polo
Sud, ovvero un mono-polo ("mono" significa uno, singolo).
S
N
Note: Some theorists believe that magnetic monopoles may
have been made in the early Universe. So far, none have
been detected.
Tutti i fenomeni
magnetici hanno come
origine le “forze”
generate da cariche
elettriche in
movimento.
La Regola Della Mano Destra!
Sistemate le 4 dita
del palmo della vostra
mano nella direzione
di moto della carica
elettrica, chiudetele
seguendo la direzione
del campo magnetico.
Il pollice punterà
nella direzione della
forza risultante sulla
carica. Questa forza
agirà sul moto della
carica elettrica,
modificandolo.
Forza sulla carica
Galileo Ferraris: Nato nel 1847 a "Livorno Piemonte" - poi ribattezzato
Livorno Ferraris - morì nella sua casa di Torino, in via XX settembre 46,
nel 1897. Si laureò in ingegneria e diventò assistente di fisica tecnica al
Regio Museo Industriale Italiano (poi Politecnico di Torino).
Nel 1885 dimostrò sperimentalmente in pubblico il risultato dei suoi
studi: l'esistenza di un campo magnetico rotante generato mediante due
bobine fisse, tra loro perpendicolari, percorse da correnti
isofrequenziali in quadratura; un cilindretto di rame attraversato da
corrente, immerso nel campo magnetico, si mette in movimento, tra la
meraviglia dei presenti, sotto l'azione delle forze elettrodinamiche tra
campo rotante e correnti indotte. E' l'inizio del motore elettrico.
Fourth
model
(1886)
Rotating field motor: first model (1885)
Motore Elettrico
Un motore elettrico, è una macchina che
converte energia elettrica in energia
meccanica (rotazionale o cinetica).
Una corrente viene fatta passare
attraverso un circuito elettrico immerso
in un campo magnetico.
Una forza si manifesta sui due bracci
laterali del circuito tendendo a far
ruotare il circuito, sul braccio in alto la
forza è orientata in direzione uscente dal
grafico, sul braccio in basso la forza è
orientata in direzione entrante nel
grafico.
L’effetto finale sarà la rotazione del
circuito attorno al proprio asse.
Tutti i fenomeni
magnetici hanno come
origine le “forze”
generate da cariche
elettriche in
movimento.
Proprietà magnetiche della materia
In altre parole … i magneti sono materiali che
producono campi magnetici senza una
“apparente” circolazione di carica elettrica
Inoltre, tutte le sostanze - solidi, gas e liquidi –
reagiscono, in misura diversa, alla presenza di
un campo magnetico. Perché?
Il modo e l’entità della loro “reazione al campo
magnetico” permettono la suddivisione di
materiali in diverse categorie (“tipologie”).
Magnet – ismi
 Ferromagnetismo – se un materiale ferromagnetico
viene posto vicino a un magnete, sarà attratto verso la
regione dove il campo magnetico è più intenso.
Questo è quel che osserviamo quando un magnete, per
esempio, attrae un pacchetto di clips o di spille.
Il ferro (Fe), il cobalto (Co), il nichel (Ni), il gadolinio (Gd),
il disprosio (Dy) e le loro leghe esibiscono comportamento
ferromagnetico a causa della interazione fra i momenti
magnetici (spin) generati dagli elettroni presenti nei loro
orbitali esterni: ogni atomo interagisce in questo modo con
l’atomo vicino dando luogo a una “interazione
ferromagnetico”. Questa interazione porta ad un
allineamento dei momenti magnetici del materiale lungo una
stessa direzione, creando zone di magnetizzazione
omogenea (domini magnetici) e rendendo a sua volta il
materiale un magnete.
 Diamagnetismo - Quando un materiale diamagnetico è
posizionato vicino a un magnete, al contrario di un
materiale ferromagnetico, viene respinto (debolmente)
dalla regione/zona di maggior forza del campo. Questa
proprietà è comune a tutti i materiali, ma essendo molto
debole nei materiali para- e ferromagnetici in pratica il
diamagnetismo non si evidenzia. (le persone e le rane così
come alcuni metalli: bismuto, rame, oro, argento e
piombo, e come le sostanze organiche e l’acqua sono
diamagnetiche).
 Paramagnetismo – Quando un materiale paramagnetico
è posizionato vicino a un magnete, come pe ri materiali
ferromagnetici (ma più debolmente) è attirato verso la
regione/zona di maggior forza del campo. Il
paramagnetismo è esibito dai materiali contenenti elementi
di transizione, elementi delle terre rare e
attinidi. L’ossigeno liquido e l’alluminio sono esempi di
materiali paramagnetici.
Il campo magnetico della Terra
L’origine del campo magnetico terrestre CMT non è del
tutto compresa. Probabilmente il CMT ha origine dal
movimento di cariche elettriche che si muovono a causa
dei moti delle correnti convettive (trasferimento di calore)
nel mantello (attorno al nucleo) della Terra.
I poli della Terra si invertono periodicamente. L’ultima
inversione si è avuta 700.000 anni fa.
Il CMT è diminuito in intensità di circa il 10 % negli ultimi
100 anni.
Il CM del sole si inverte ogni 22 anni!
Il CMT ci protegge dalle particelle cariche (radiazioni
cosmiche) emesse dal sole?
Campi Magnetici e Particelle Cariche
 Una particella carica in movimento attraverso un
campo elettrico subisce una forza.
 La forza agisce in modo da deviare la particella
lontano dal campo.
 Questo è il modo in cui il CMT ci prottegge dalle
radiazioni cosmiche.
 Possiamo vedere questo effetto, per esempio con gli
elettroni – questo è il principo su sui si basava i
televisori con tubo catodico!
 Se la corrente percorre un circuito, il circuito stesso
subirà la forza di deflessione, a dimostrazione ulteriore
della relazione enludibile fra elettricità e magnetismo.
THE BIG BREAKTHROUGH
–All’inizio degli anni '60 fu scoperta una strana
successione di ordinamento magnetico nei
sedimenti delle dorsali oceaniche, speculare
rispetto ai due lati adiacenti le faglie oceaniche:
una nuova teoria radicale fu formulata e chiamata
“sea floor spreading” (Deriva dei continenti).

In quello stesso periodo si comincò a dare una
spiegazione all’apparente nomadismo dei poli
magnetici terrestri. Dopo aver riportato in
sequenza i dati, si osservò che i poli magnetici
avevano mutato posizione nel tempo. Inoltre, i
geologi compresero che le catene montuose si
estendevano anche da un continente all’altro.
L’ago della bussola all’osservatorio geomagnetico di Londra
We can use the principal of induction to produce a dynamo.
This is a device that converts mechanical work into
electricity.
Very similar to an electric motor except that we provide the
energy to rotate the current coil.
This generates an electric current!
Principle still used in today’s power stations.
Many migrating
animals use
magnetism to
navigate.
Small particles of
lodestone have been
found in the ears of
homing pigeons – it is
thought that this
provides an in built
compass!
Sharks have special organs
that allow them to sense small
variations in electrical and
magnetic fields. Allows them to
locate prey thrashing in the
water!
Applicazioni del Magnetismo
Magnetic Resonance Imaging
 In presenza di un campo magnetico
sufficientemente elevato, molti materiali
esibiscono proprietà magnetiche rilevanti.
 Si può usare la risposta al campo
magnetico da parte degli atomi di idrogeno
dell’acqua (diversamente distribuita nei
tessuti) per realizzare immagini
estremamente accurate dei tessuti
biologici.
 Questa tecnica non genera lo stesso
rischio dei raggi-x. Permette l’osservazione
di sottili strati di tessuto biologico
attraverso il corpo. Richiede magneti
60.000 volte più intensi del campo
magnetico terrestre.
Sappiamo che esiste un fenomeno denominato
elettromagnetismo e che possiamo sfruttarlo per
numerose applicazioni.
In realtà non abbiamo finora
compreso i meccanismi fisici
che lo regolano.
Fino a che punto lo conosciamo?