Il magnetismo

Ciao a tutti. In questa video lezione parliamo dei fenomeni magnetici. Anche la scoperta dei fenomeni magnetici, come già visto per quelli elettrici, ha origine molto antica. Infatti, fin dall'antichità si sapeva che alcuni minerali, scoperti per la prima volta in una località dell'Asia minore chiamata Magnesia, avevano la proprietà di attrarre a sé dei piccoli oggetti metallici. Da ciò deriva il nome dato all'inizio al minerale che oggi sappiamo essere un ossido di ferro: ho detto magnetite. Ne vediamo dei cristalli in quest'immagine. Dal nome pietra di Magnesia, dalla località citata prima, e da questa deriva anche il nome di magnetismo dato a ciò che riguarda tali fenomeni.

I fenomeni elettrici e magnetici vengono trattati insieme perché, come vedremo meglio in seguito, costituiscono due facce della stessa medaglia. Ed inoltre, la loro interazione è di fondamentale importanza per la trasformazione di vari tipi di energia, sempre invariabilmente legati al moto, nell'energia elettrica che arriva nelle nostre case. Per ora ci limitiamo a dire che, anche senza studiare la loro reciproca interazione, tra fenomeni elettrici e quelli magnetici considerati isolatamente, ci sono delle evidenti somiglianze, ma anche delle differenze.

Gli oggetti dotati di proprietà magnetiche si chiamano genericamente calamite o magneti e possono avere diverse forme. Le più comuni sono a forma di bara, rettangolare o appiattita, oppure hanno la classica forma delle calamite, come vediamo in questa immagine, a ferro di cavallo, ma ne esistono anche di molte altre forme. Se disponiamo degli oggetti metallici, come chiodi, della semplice polvere di ferro oppure delle graffette, come vediamo in questa immagine, attorno ad una calamita, notiamo che questa viene attratta verso di essa. Bene, questi oggetti, queste graffette, sono attratti verso la calamita. Questa forza attrattiva, che è un esempio di forza che agisce a distanza, non è esercitata però su tutta la superficie del magnete nello stesso modo, ma si concentra alle due estremità, dove risulta attratta la quasi totalità degli oggetti metallici. Queste estremità sono chiamate i due poli del magnete e, per analogia con il campo magnetico terrestre, vengono chiamati polo nord e polo sud.

Ogni magnete – qui visualizziamo delle calamite a barra – ha quindi un polo nord e un polo sud, che indichiamo con le lettere N ed S. Se noi avviciniamo i poli dello stesso segno di due diverse barre magnetiche, ad esempio due poli nord, come vediamo in alto, osserviamo che essi tendono a respingersi. Viceversa, parte bassa dell'immagine, se avviciniamo le polarità opposte, un nord con il sud di due calamite, tra di esse si esercita una forza attrattiva e si iniziano a dirigere l'una verso l'altra. Questa è un'evidente somiglianza con i fenomeni legati alle cariche elettriche, dove abbiamo visto che cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono. Al di là di questa somiglianza di comportamento, esiste però anche un'importante differenza con i fenomeni elettrici. Mentre infatti esistono cariche elettriche positive o negative isolate, al contrario non esistono poli magnetici isolati, ovvero non esiste il cosiddetto monopolo magnetico. Ma ogni oggetto dotato di proprietà magnetiche presenta sempre due poli: polo nord e polo sud. Infatti, come vediamo in quest'altra immagine, se prendiamo una barra magnetica e la dividiamo in due parti uguali, noi non riusciamo a separare i due poli, perché ciascuna delle due metà formerà di nuovo il polo mancante. E questo avviene anche se continuiamo a suddividere in più parti le due barre magnetiche.

Come sappiamo, non tutti gli oggetti sono sensibili all'azione di questo tipo di forze magnetiche, ma lo sono, nello specifico, gli oggetti di metallo: polvere di ferro, chiodi, graffette, come abbiamo visto, vengono attratti dai poli di un magnete e, una volta separati dalla calamita, mantengono per un certo periodo, oppure in via permanente, la magnetizzazione, ovvero iniziano a comportarsi a loro volta come delle calamite. I materiali che, dopo il contatto con un magnete, rimangono magnetizzati solo temporaneamente si dice che sono paramagnetici; quelli invece che restano magnetizzati in via permanente, in particolare gli oggetti di ferro, si chiamano per l'appunto materiali ferromagnetici. Tale processo di magnetizzazione, analogamente a quanto visto per l'elettrizzazione, può avvenire in tre modi: per strofinio, per contatto e per induzione, esattamente come il processo di elettrizzazione. Trattandosi di un'interazione a distanza, un oggetto dotato di proprietà magnetiche genera intorno a sé un campo magnetico. Quindi qualsiasi oggetto sensibile alla sua forza, posto nelle sue vicinanze, risentirà di una forza attrattiva nei suoi confronti, come vediamo in questo, in questa animazione.

Ecco, in questo video, se poniamo – qui abbiamo un vassoio trasparente, sotto c'è una calamita con i due poli – e adesso vediamo che cosa succede se disponiamo piano piano della polvere di ferro. Vediamo che le particelle di ferro non si dispongono casualmente, ma si iniziano a muovere disponendosi secondo delle linee ben precise. Queste, che nel caso del campo magnetico, a differenza di quello elettrico, sono visibili tramite la disposizione della polvere metallica che le disegna realmente, sono le linee di forza del campo magnetico. A differenza di quelle del campo elettrico che, solo ricordiamolo, sono disposte come raggi centrati sulla particella carica, queste linee di forza, disegnate dalla limatura di ferro, sono linee chiuse che partono da un polo e terminano nell'altro. Questo proprio a causa della natura del campo magnetico che è sempre bipolare, perché ricordiamolo, i due poli di un oggetto dotato di proprietà magnetiche non sono separabili. In questa immagine vediamo anche, siamo così, delle situazioni un pochino più complesse dei campi prodotti da più calamite. Ecco, vediamo in particolare in basso a sinistra cosa succede, quali sono le linee di forza generate da una doppia calamita, con le due calamite avvicinate per i poli opposti, e sulla parte destra quando invece sono avvicinate per lo stesso polo. Nella zona tra due poli uguali la forza sarà repulsiva, per analogia con il campo elettrico.

Adesso vediamo un altro divertente video in cui andiamo a creare una sospensione di particelle di limatura di ferro, di polvere quindi di ferro, in acqua e poi vediamo che cosa succede avvicinando una calamita. Ricordiamo che la forza attrattiva è massima ai poli. Ecco, guardate un po', si formano questi due bellissimi ricci quando avviciniamo al contenitore con il ferro queste calamite, e stavolta a forma di cilindro appiattito, quindi i poli sono sulle due basi, bene, di questa calamita di forma particolare. Adesso di nuovo rimescoliamo, rivediamo che appena avviciniamo i due magneti si riforma questo bellissimo riccio o istrice fatto di polvere di ferro. Adesso vediamo invece con una calamita – ecco – con un'altra forma, quindi con un magnete ad anello: rimane un buco al centro nella disposizione della polvere di ferro. A trattare vediamo una classica barra con i due poli e la polvere, come sospettiamo, stavolta forma due ricci ai poli nord e sud. E adesso prendiamo altre calamite cilindriche, che proviamo a spostarle, e che vediamo questo divertente effetto dovuto al movimento della polvere di ferro.

Noi conosciamo molto bene le proprietà dei magneti naturali ed artificiali, ma è importante sapere che anche il nostro pianeta genera un campo magnetico, ovvero si comporta come una gigantesca calamita. Questo aspetto è di vitale importanza in quanto il campo magnetico terrestre funge da schermo nei confronti delle particelle cariche di origine solare che arrivano verso il nostro pianeta, alla velocità della luce, e che sarebbero dannose per le nostre attività e per la salute e la vita di tutti gli esseri viventi. Naturalmente non possiamo pensare che ci sia un'enorme calamita nella parte più interna della Terra, perché le temperature di migliaia di gradi che si raggiungono al centro della Terra fonderebbero qualunque cosa solida, e di conseguenza essa perderebbe completamente le sue proprietà magnetiche. Quindi il nostro campo magnetico ha un'origine completamente diversa. L'origine del campo magnetico che consente la vita sulla Terra, compresa la nostra, è situata, come vediamo in questa animazione, migliaia di chilometri al di sotto dei nostri piedi, per l'esattezza in quella parte esterna del nucleo della Terra, formata da metalli liquidi, da metalli fusi ad altissima temperatura: un oceano, come vediamo, di metalli fusi ad altissima temperatura, animato da correnti impetuose, da vortici all'interno di esso. Vedete tutto in, in ebollizione, lo in movimento. Particelle cariche in movimento tumultuoso danno luogo, come vedremo meglio in seguito, al nostro campo magnetico.

Come vedremo meglio in uno dei prossimi video, delle particelle cariche, perché evidentemente in questo oceano di metalli fusi gli elettroni si separano dai nuclei, e particelle cariche in movimento, come vedremo meglio in uno dei prossimi importantissimi video, oltre a produrre una corrente elettrica, producono anche un campo magnetico che è continuamente alimentato e mantenuto dalla rapida rotazione terrestre che si compie in circa 24 ore. In che modo abbiamo utilizzato il campo magnetico terrestre? Torniamo alle nostre immagini, per la creazione di questo utilissimo strumento per l'orientamento e per la navigazione chiamato bussola. La bussola, un'invenzione di origine cinese, sfrutta proprio il campo magnetico terrestre come strumento di orientamento ed è formata infatti da un ago magnetico contenuto in un recipiente e sospeso in un mezzo liquido. Libero di orientarsi, in assenza di campi magnetici artificiali, punterà verso il polo nord magnetico della Terra. L'aggettivo magnetico è d'obbligo in quanto l'asse del campo magnetico non coincide esattamente con l'asse di rotazione terrestre, per cui il polo nord magnetico verso cui punta l'ago della bussola è in realtà spostato di diversi chilometri rispetto al polo geografico, al punto in cui il nostro asse di rotazione interseca la superficie terrestre. In ogni caso, utilizzando la bussola alle latitudini a cui siamo noi, possiamo considerare tale scarto trascurabile. Vediamo adesso il video di un esperimento in cui possiamo costruire una bussola casalinga utilizzando una fettina di tappo di sughero, un ago, una calamita, dell'acqua e una ciotola di materiale non metallico. Innanzitutto magnetizziamo l'ago, quindi questa è la parte che va fatta con cautela perché l'ago è affilato, tramite strofinio contro un magnete permanente. Dopodiché riempiamo la ciotola di acqua, sospendiamo in essa la fettina di tappo di sughero che, per la sua bassa densità, come sappiamo, galleggerà, e con cautela appoggiamo su di esso l'ago. Vediamo l'ago che lentamente ruota in modo da disporsi secondo il campo magnetico terrestre di cui risente in quella zona, in quel momento. Quando avviciniamo una bussola, dopo un po' che lo lasciamo libero di roteare, ecco qui vediamo che l'ago della nostra bussola casalinga si dispone esattamente con lo stesso orientamento della bussola commerciale che abbiamo posto vicino ad esso. Provando di nuovo a girarla, a cambiarli l'orientazione nei confronti del campo magnetico terrestre, ecco vediamo che anche il nostro ago la cambia.

Infine, lo studio del campo magnetico fossile, ovvero dei minerali magnetici contenuti nelle rocce che si orientano in direzione del campo presente al momento in cui si sono formate, detto paleomagnetismo, ha costituito la prova definitiva della teoria della deriva dei continenti. In quanto alcune rocce contenenti magnetite – anni di cristalli di questo minerale – orientati diversamente rispetto al campo magnetico attuale, il che significa che la massa rocciosa continentale in cui le rocce si sono formate non occupava da sempre la posizione attuale, ma che è migrata. Questo ha reso anche possibile ricostruire lo spostamento dei continenti nell'arco delle ere passate. Inoltre, sempre da questo tipo di studi, abbiamo la prova che il campo magnetico terrestre ha subito delle inversioni periodiche di polarità, ovvero i due poli nord e sud del nostro campo magnetico si sono scambiati più volte tra di loro: fenomeno misterioso ed inquietante, perché sappiamo che si potrà ripetere in futuro, ma non sappiamo quando si ripeterà e cosa succede al campo magnetico della Terra durante le delicate fasi di inversione.

Se questo video vi è piaciuto, vi ha interessato, iscrivetevi al canale Il Signore delle Scienze e attivate la campanella delle notifiche che vi avvertirà ogni volta che viene pubblicato un nuovo video. Inoltre, consiglio a tutti l'iscrizione al canale gemellato con il mio, dell'amico e collega Stefano Panigutti, che si chiama esattamente con il suo nome e cognome, in cui trovate altri video didattici relativi al mondo della matematica e delle scienze. Alla prossima!