Magnete

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Barretta magnetica

Un magnete (o calamita) è un corpo che genera un campo magnetico. Il nome deriva dal greco μαγνήτης λίθος (magnítis líthos), cioè "pietra di Magnesia", dal nome di una località greca nota sin dall'antichità per gli ingenti depositi di magnetite. Un magnete può essere permanente o un elettromagnete: un magnete permanente non necessita di nessuno stimolo esterno per generare il campo magnetico, mentre un elettromagnete genera il campo grazie allo stimolo di una corrente elettrica; un magnete permanente si può formare naturalmente in alcune rocce, ma può anche essere creato artificialmente.

I magneti sono attratti o respinti da diversi materiali; un materiale fortemente attratto da un magnete possiede un'alta permeabilità magnetica: esempi in questo senso sono il ferro e alcuni tipi di acciaio, detti "ferromagnetici". L'ossigeno liquido è invece un esempio di materiale con bassa permeabilità, o "paramagnetico", essendo attratto solo debolmente da un campo magnetico. L'acqua possiede una permeabilità così bassa da venire respinta da un campo magnetico (fenomeno del "diamagnetismo"). Tutto ha una permeabilità misurabile: le persone, i gas e persino il vuoto dello spazio.

L'unità di misura SI del campo magnetico è il tesla, mentre l'unità di misura del flusso magnetico totale è il weber; 1 Tesla è pari a 1 Weber per metro quadro (un valore molto elevato del flusso magnetico).

Indice

Caratteristiche dei magneti

Il campo magnetico

Per approfondire, vedi la voce Campo magnetico.

Il campo magnetico (solitamente indicato con la lettera B) è un campo vettoriale caratterizzato da una direzione, ricavabile tramite l'utilizzo di una semplice bussola, e da un'intensità, misurata in tesla.

Il momento magnetico

Per approfondire, vedi la voce Momento magnetico.

Il momento magnetico (chiamato anche momento di dipolo magnetico e indicato dalla lettera greca μ) è un vettore che caratterizza le proprietà magnetiche di un corpo: in una barra magnetica, per esempio, il verso del momento magnetico è diretto dal polo sud al polo nord della barra e la sua intensità dipende dalla forza dei poli e dalla loro distanza.

Un magnete produce un campo magnetico ed è a sua volta influenzato dai campi magnetici. L'intensità del campo magnetico prodotto è proporzionale al momento magnetico, e anche il momento torcente di cui il magnete risente, una volta posto in un campo magnetico esterno, è proporzionale ad esso (oltre che all'intensità e alla direzione del campo esterno).

Una spira con sezione circolare pari ad A percorsa da una corrente elettrica di intensità I è un magnete, con un momento di dipolo magnetico di intensità I A

Magnetizzazione

Per approfondire, vedi la voce Magnetizzazione.

La magnetizzazione di un corpo è il valore del suo momento magnetico per unità di volume, solitamente indicato con M e misurato in A/m. È un campo vettoriale (come il campo magnetico e a differenza del momento magnetico), poiché il suo valore varia al variare delle diverse sezioni del corpo. Una buona barra magnetica solitamente possiede un momento magnetico di circa 0.1 A·m² e quindi, supponendo un volume di 1 cm³ (ovvero 0.000001 m³), una magnetizzazione di 100.000 A/m. Il ferro può raggiungere anche il milione di A/m di magnetizzazione.

I poli magnetici

Tutti i magneti hanno almeno due poli: possiedono cioè almeno un polo "nord" e un polo "sud"; il polo non è un'entità materiale, bensì un concetto utilizzato nella descrizione dei magneti.

Per comprenderne il significato, si può fare un esempio immaginando una fila di persone allineate e rivolte verso la medesima direzione: benché abbia un lato "frontale" e uno "posteriore", non c'è un luogo particolare della fila in cui si trovano solo i "lati frontali" delle persone o i loro "lati posteriori"; una persona ha di fronte a sé la schiena della persona davanti e dietro di sé un'altra persona rivolta in avanti. Se si divide la fila in due file più piccole, esse continueranno ad avere comunque un orientamento. Continuando a dividere le file, anche arrivando al singolo individuo si manifesta ancora lo stesso orientamento fronte/retro.

Lo stesso accade con i magneti: non c'è un'area all'interno del magnete in cui si trovano solo i poli nord o solo i poli sud, ma dividendo in due parti il magnete, entrambi i magneti risultanti avranno un polo nord e un polo sud. Anche questi magneti più piccoli possono essere suddivisi ulteriormente, ottenendo ancora dei magneti con un polo nord e un polo sud. Se si continua a dividere il magnete in parti sempre più piccole, ad un certo punto queste parti saranno troppo piccole anche per mantenere un campo magnetico (ciò non significa che sono diventati singoli poli, ma semplicemente che hanno perso la capacità di generare del magnetismo). Per alcuni materiali, si può arrivare al livello molecolare e osservare ancora un campo magnetico, con poli nord e sud (sono i "magneti molecolari"). Alcune teorie fisiche tuttavia prevedono l'esistenza di un monopolo magnetico nord e sud, finora però mai osservato.

In termini del campo di induzione magnetica B, in un magnete permanente si ha che le linee di forza entrano dal polo sud ed escono dal polo nord. Allo stesso modo, in un solenoide percorso da corrente continua si possono identificare un polo nord e un polo sud.

Polo nord e polo sud del campo magnetico

Schema rappresentante il campo magnetico terrestre (poli e linee di forza del campo magnetico.)
Per approfondire, vedi le voci Campo geomagnetico, Polo nord e Polo sud.

Storicamente, i termini polo nord e polo sud di un magnete rispecchiano la consapevolezza delle interazioni tra esso e il campo geomagnetico: un magnete liberamente sospeso in aria si orienterà lungo la direzione nord-sud a causa dell'attrazione dei poli magnetici nord e sud della Terra; l'estremità del magnete che punta verso il polo nord geografico della Terra viene chiamato polo nord del magnete, mentre ovviamente l'altra estremità sarà il polo sud del magnete.

L'odierno polo nord geografico della Terra corrisponde però al suo polo sud magnetico; complicando ulteriormente lo scenario, si è scoperto che le rocce magnetizzate presenti nei fondali oceanici mostrano come il campo geomagnetico abbia invertito la propria polarità più volte nel passato. Fortunatamente, utilizzando un elettromagnete e la regola della mano destra, l'orientamento di un qualsiasi campo magnetico può essere definito senza doversi riferire al campo geomagnetico.

Per evitare ulteriori confusioni tra poli geografici e magnetici, questi ultimi vengono spesso indicati come "positivo" e "negativo" (dove il polo positivo è quello corrispodente al polo nord geografico).

Origini fisiche del magnetismo

Magneti permanenti

Magneti collegati dal campo magnetico

Qualsiasi oggetto comune è composto da particelle come i protoni, i neutroni e gli elettroni; ciascuna di esse ha tra le sue proprietà quanto-meccaniche lo spin, che associa a queste particelle un campo magnetico. Da questo punto di vista, ci si aspetta che qualsiasi corpo materiale, essendo composto da innumerevoli particelle, possieda caratteri magnetici (persino le particelle di antimateria hanno proprietà magnetiche); l'esperienza quotidiana, tuttavia, smentisce questa affermazione.

All'interno di ogni atomo o molecola, le disposizioni di ogni spin seguono rigidamente il Principio di esclusione di Pauli; comunque sia, nelle sostanze diamagnetiche non esiste un ordinamento "a lungo raggio" di questi spin, per cui non esiste un campo magnetico, dato che ogni momento magnetico di una particella è annullato da quello di un'altra.

Nei magneti permanenti, invece, questo ordinamento a lungo raggio esiste; il grado più elevato di ordinamento è quello presente nei cosiddetti domini magnetici: essi possono essere considerati come microscopiche regioni dove una forte interazione tra particelle, detta interazione di scambio, genera una situazione estremamente ordinata; più elevato è il grado di ordine del dominio, più forte risulterà il campo magnetico generato.

Un ordinamento a scale elevate (e quindi un forte campo magnetico) è una delle caratteristiche principali dei materiali ferromagnetici.

Uno stratagemma che si sfrutta per generare campi magnetici molto intensi è quello di orientare tutti i domini magnetici di un ferromagnete con un campo meno intenso, generato da un avvolgimento di materiale conduttore all'interno del quale è fatta passare una corrente elettrica: è l'elettromagnete.

Magnetismo generato dagli elettroni

Gli elettroni giocano un ruolo primario nella formazione del campo magnetico; in un atomo, gli elettroni si possono trovare sia singolarmente sia a coppie, all'interno di ciascun orbitale. Se sono in coppia, ciascun elettrone ha spin opposto rispetto all'altro (spin su e spin giù); dal momento che gli spin hanno direzione opposta, essi si annullano a vicenda: una coppia di elettroni non può dunque generare un campo magnetico.

In molti atomi, però, si trovano elettroni spaiati: tutti i materiali magnetici possiedono elettroni di questo tipo, ma non è detto che al contrario un atomo con elettroni spaiati sia ferromagnetico. Per poter essere ferromagnetico, gli elettroni spaiati del materiale devono anche interagire fra di loro a larghe scale, in modo da essere tutti orientati nella medesima direzione. La specifica configurazione elettronica degli atomi, così come la distanza tra ciascun atomo, è il principale fattore che guida questo ordinamento a lungo raggio. Se gli elettroni mostrano lo stesso orientamento, essi si trovano nello stato a minore energia.

Elettromagneti

L'esempio più semplice di elettromagnete è quello di un filo arrotolato a mo' di bobina una o più volte: questa configurazione prende il nome, rispettivamente, di spira o solenoide. Quando la corrente elettrica attraversa la bobina, quest'ultima genera un campo magnetico attorno a sé. L'orientamento del campo magnetico può essere determinato attraverso la regola della mano destra, mentre la sua intensità dipende da vari fattori: dal numero di spire si ricava la superficie dell'interazione, dalla densità di corrente elettrica l'attività; più spire sono presenti (o più grande è la densità di corrente), più risulterà elevato il campo magnetico.

Se la bobina è vuota al suo interno, il campo generato sarà estremamente debole; vari materiali ferromagnetici o paramagnetici possono essere utilizzati per costituire il nucleo di un elettromagnete: l'aggiunta di queste componenti può far aumentare l'intensità del campo magnetico di 100 o addirittura 1000 volte.

A distanze considerevoli rispetto alle dimensioni del magnete, il campo magnetico osservato segue la legge dell'inverso del cubo: l'intensità del campo è inversamente proporzionale al cubo della distanza.

Se l'elettromagnete poggia su di una lastra metallica, la forza necessaria a separare i due oggetti sarà tanto più grande quanto più le due superfici saranno piatte e liscie: in questo caso infatti avranno un maggior numero di punti di contatto e più piccola sarà la riluttanza del circuito magnetico.

Gli elettromagneti trovano applicazioni in diverse situazioni, dagli acceleratori di particelle, ai motori elettrici, alle macchine per l' imaging a risonanza magnetica. Vi sono anche macchinari più complessi dove non si utilizzano semplici dipoli magnetici, bensì quadrupoli magnetici, con lo scopo, per esempio, di concentrare i fasci di particelle. Un esempio è costituito dallo spettrometro di massa.

Recentemente campi di svariati milioni di tesla sono stati prodotti in solenoidi micrometrici nei quali veniva fatta passare una corrente di milioni di ampere, mediante scarica impulsiva di una batteria di condensatori. Le intense forze generate dalla scarica portavano il sistema ad implodere, distruggendo l'esperimento in pochi millisecondi.


Utilizzi dei magneti

I magneti possono essere presenti anche nei giocattoli, come questi bastoncini magnetici collegati da piccole sfere di metallo (Geomag).

I magneti trovano applicazione in una vasta gamma di strumenti, tra i quali:

  • Mezzi di registrazione magnetica: le comuni cassette VHS contengono una bobina di nastro magnetico e le informazioni visive e sonore vengono memorizzate nel rivestimento magnetico del nastro; anche le audio-cassette contengono un nastro magnetico. In maniera analoga, i floppy disk e gli hard disk registrano i dati su di una sottile pellicola magnetica.
  • Carte di credito, di debito e Bancomat: hanno tutte una banda magnetica, che contiene le informazioni necessarie per contattare il proprio istituto di credito.
  • Televisioni e monitor di computer: la maggior parte delle TV e degli schermi dei computer dipendono in parte da un elettromagnete nella generazione dell'immagine (vedi la voce "Tubo catodico"). Gli odierni schermi al plasma e LCD sono invece legati a tecnologie del tutto differenti.
  • Altoparlanti e microfoni: la maggior parte degli altoparlanti funziona grazie alla combinazione di un magnete permanente e di un elettromagnete, che convertono l'energia elettrica (il segnale) in energia meccanica (il suono); l'elettromagnete trasporta il segnale, il quale genera un campo magnetico che interagisce con quello generato dal magnete permanente, creando il suono. I normali microfoni sono basati sugli stessi concetti, ma funzionano in maniera opposta: all'interno del microfono è posta una membrana collegata ad una bobina, insieme ad un magnete della stessa forma; quando un suono mette in vibrazione la membrana, lo stesso accade alla bobina che, muovendosi all'interno di un campo magnetico, genera un voltaggio (vedi la "Legge di Lenz"); questo voltaggio è proprio il segnale elettrico utilizzato per trasmettere il suono.
  • Motori elettrici e generatori: molti motori elettrici funzionano in maniera analoga agli altoparlanti (un magnete permanente e un elettromagnete convertono l'energia elettrica in energia meccanica). Un generatore è esattamente l'inverso: converte infatti l'energia meccanica in energia elettrica.
  • Trasformatori: un trasformatore trasferisce la corrente elettrica attraverso due spire isolate elettricamente ma non magneticamente.
  • Acceleratori di particelle: essi utilizzano dei magneti per indirizzzare i fasci di particelle sul percorso stabilito; i magneti vengono utilizzati anche per collimare i fasci sui bersagli.
Magnete utilizzato per separare minerali pesanti

Pietre dalla proprietà magnetiche vengono inoltre utilizzate da varie etnie afro-americane nelle pratiche magico-sciamaniche conosciute come riti hoodoo: queste pietre sono ritenute essere magicamente legate al nome di una persona e attraverso un rituale vengono cosparse di sabbia ferrosa che ne rivela il campo magnetico; una pietra può essere utilizzata per far avverare i desideri di una persona, due pietre per eseguire una fattura d'amore.

Infine, in campo artistico, 1 millimetro di patina magnetica è sovente usata per rivestire i dipinti e le fotografie, in modo da permettere l'aggiunta di superfici metalliche di vario genere.

Come magnetizzare un corpo

Magnete superconduttore da 7 Tesla

I materiali ferromagnetici possono essere magnetizzati in diversi modi:

  • mettendo l'oggetto ferromagnetico all'interno di un campo magnetico, si possono notare tracce di magnetismo nel materiale; l'allineamento con il campo geomagnetico e la presenza di oscillazioni sono gli effetti di questo magnetismo residuo;
  • strofinando ripetutamente e sempre nello stesso verso un magnete lungo un'estremità dell'oggetto da magnetizzare;
  • nel caso particolare dell'acciaio, lo si può posizionare all'interno di un campo magnetico e quindi riscaldare fino ad alte temperature (il magnete deve essere orientanto lungo la direzione dei poli magnetici della Terra). Il magnetismo risultante dell'acciaio non è particolarmente intenso, ma è comunque permanente.

Come smagnetizzare un corpo

I magneti permanenti possono essere smagnetizzati con i seguenti procedimenti:

  • riscaldandoli fino al loro punto di Curie, distruggendo il loro ordinamento a lungo raggio e successivamente raffreddandoli in assenza di campo; questo trattamento è noto come zero field cooling.
  • strofinandoli con un altro magnete in direzioni casuali (ciò non è particolarmente efficace in presenza di materiali con un elevato grado di magnetismo);
  • rompendo il magnete, in modo da ridurre il loro ordinamento intrinseco;

In un elettromagnete contenente un nucleo di ferro, interrompere il flusso di corrente significa eliminare la maggior parte del campo magnetico (permangono dei deboli effetti magnetici dovuti al fenomeno dell' isteresi).

Tipi di magneti permanenti

Una pila di magneti

Magneti metallici

Molti materiali hanno coppie di elettroni con spin spaiati, e la maggior parte di essi è paramagnetica. Se i due elettroni interagiscono fra loro in modo tale che i loro spin si allineano spontaneamente, tali materiali divengono ferromagnetici (o semplicemente "magnetici"). A seconda della struttura atomica dei cristalli da cui sono formati, molti metalli sono già ferromagnetici quando sono ancora minerali, per esempio minerali del ferro (la magnetite), del cobalto, del nickel o anche di terre rare come il gadolinio o il disprosio. Questi magneti "naturali" sono stati ovviamente i primi ad essere utilizzati per le loro proprietà magnetiche, seguiti da altri di fabbricazione artificiale.

Magneti compositi

Ceramici

I magneti ceramici sono una lega composita di polvere di ossido di ferro e ceramica di carbonato di bario (o carbonato di stronzio). A causa del basso costo di tali materiali e delle tecniche di realizzazione, questo tipo di magnete può essere prodotto in grande quantità e venduto a prezzo contenuto. I magneti ceramici sono immuni alla corrosione, ma possono essere molto fragili.

AlNiCo

I magneti AlNiCo sono ottenuti dalla fusione o dalla sinterizzazione di alluminio, nickel e cobalto con del ferro, più eventualmente altri elementi aggiunti per aumentare le proprietà magnetiche. La sinterizzazione dona al magnete delle proprietà meccaniche superiori, mentre la fusione conferisce delle maggiori proprietà magnetiche. Questi magneti sono resistenti alla corrosione e anche se sono più versatili dei magneti ceramici, lo sono comunque meno rispetto ai magneti metallici.

TiCoNAl

I magneti TiCoNAl sono costituiti da una lega di titanio, cobalto, nickel, alluminio (in simboli chimici Ti, Co, Ni e Al, da cui il nome), insieme al ferro e ad altri elementi. Sono stati sviluppati dalla Philips per la produzione di altoparlanti.

Stampati ad iniezione

I magneti stampati ad iniezione sono costituiti da una miscela di resine e polveri magnetiche, e possono essere stampati nelle forme e dimensioni più diverse. Le loro proprietà meccaniche e magnetiche dipendono ovviamente dai vari tipi di materiali utilizzati, anche se in generale le prime possono essere ricondotte a quelle dei materiali plastici e le seconde sono inferiori a quelle dei magneti metallici.

Flessibili

I magneti flessibili sono molto simili a quelli stampati ad iniezione: sono ottenuti infatti da una miscela di resine o leganti, come il vinile. Non possiedono elevate proprietà magnetiche, ma, come suggerisce il nome, hanno ottime proprietà meccaniche.

Con terre rare

Gli elementi chimici chiamati terre rare (ovvero i lantanidi) hanno il livello elettronico f (che può ospitare fino a 14 elettroni) riempito solo in parte. Lo spin degli elettroni di questo livello si può facilmente allineare in presenza di forti campi magnetici, e perciò è proprio in queste situazioni che vengono utilizzati i magneti costituiti da terre rare. Le varietà più comuni di questi magneti sono i magneti samario-cobalto e i magneti neodimio-ferro-boro.

Molecolari (SMM)

Negli anni '90 si scoprì come certi tipi di molecole contententi ioni metallici paramagnetici fossero capaci di conservare il proprio momento magnetico anche a temperature estremamente basse. Tale meccanismo è differente da quello utilizzato dai magneti convenzionali e teoricamente risulta anche più efficiente. Le ricerche che interessano questi magneti molecolari, o SMM ("single-molecule magnet") sono tuttora in corso. Molti SMM contengono manganese, mentre in altri si trovano anche il vanadio, il ferro, il nickel e il cobalto.

Forze magnetiche

Calcolare la forza di attrazione o repulsione tra due magneti è, in generale, un' operazione estremamente complessa, che dipende dalla forma, dal grado di magnetizzazione, dall'orientamento e dalla distanza dei due magneti.

Forza tra due monopoli

La forza esistente tra due monopoli magnetici è espressa dalla seguente formula:

F={{\mu m_1m_2}\over{4\pi r^2}} [1]

dove

F è la forza (unità SI: newton)
m è la forza del polo (in ampere · metri)
μ è la permeabilità magnetica del mezzo (in henry su metro)
r è la distanza tra i due monopoli (in metri).

Dal momento che i monopoli magnetici sono però delle entità puramente teoriche, questa equazione non descrive una particolare situazione fisica reale; è tuttavia l' esempio più semplice di calcolo della forza magnetica. Le formule riportate di seguito sono quelle più utili per scopi pratici.

Forza magnetica tra due superfici vicine

F=\frac{AB^2}{2\mu_0} [2]

dove

A è l'area di ciascuna superficie, in m2;
B è la densità del flusso magnetico tra esse, in tesla;
μ0 è la costante di permeabilità magnetica del vuoto, pari a 4π x 10-7 tesla·metri/ampere.

Forza tra due barre magnetiche

La forza che si instaura tra due barre magnetiche cilindriche e identiche è pari a:

F=\left[\frac {B_0^2 A^2 \left( L^2+R^2 \right)} {\pi\mu_0L^2}\right] \left[{\frac 1 {x^2}} + {\frac 1 {(x+2L)^2}} - {\frac 2 {(x+L)^2}} \right] [3]

dove

B0 è la densità del flusso magnetico misurato in ogni polo, in Tesla;
A è la superficie di ogni polo, in m2;
L è la lunghezza di ciascun magnete, in metri;
R è il raggio di ciascun magnete, in metri;
x è la distanza tra i due magneti, sempre in metri.

Voci correlate

Collegamenti esterni

Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Magnete"

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