MAGNETISMO: PROPRIETÀ MAGNETICHE DEI MATERIALI, USI - FISICO - 2026

Il magnetismo o energia magnetica è una forza associata al movimento della natura e in grado di produrre attrazione o repulsione elettrica in determinati carichi di sostanze. I magneti sono fonti ben note di magnetismo.

Al loro interno ci sono interazioni che si traducono nella presenza di campi magnetici, che esercitano la loro influenza su piccoli pezzi di ferro o nichel, ad esempio.

I bellissimi colori dell'aurora boreale sono dovuti alle particelle cosmiche che emettono energia mentre vengono deviate dal campo magnetico terrestre. Fonte: Pixabay.

Il campo magnetico di un magnete diventa visibile quando viene posto sotto una carta su cui sono sparse le limature di ferro. La limatura viene immediatamente orientata lungo le linee del campo, creando un'immagine bidimensionale del campo.

Un'altra fonte ben nota sono i fili che trasportano corrente elettrica; Ma a differenza dei magneti permanenti, il magnetismo scompare quando la corrente si ferma.

Ogni volta che si verifica un campo magnetico da qualche parte, qualche agente ha dovuto lavorare. L'energia investita in questo processo viene immagazzinata nel campo magnetico creato e può quindi essere considerata come energia magnetica.

Il calcolo della quantità di energia magnetica immagazzinata nel campo dipende dal campo e dalla geometria del dispositivo o dalla regione in cui è stato creato.

Gli induttori o le bobine sono buoni posti per farlo, creando energia magnetica più o meno allo stesso modo in cui l'energia elettrica viene immagazzinata tra le piastre di un condensatore.

Storia e scoperta

Vecchie app

Le leggende raccontate da Plinio sull'antica Grecia parlano del pastore Magnes, che più di 2000 anni fa trovò un misterioso minerale capace di attrarre pezzi di ferro, ma non altri materiali. Era magnetite, un ossido di ferro con forti proprietà magnetiche.

Il motivo dell'attrazione magnetica è rimasto nascosto per centinaia di anni. Nella migliore delle ipotesi, è stato attribuito a eventi soprannaturali. Anche se non per questo motivo, sono state trovate applicazioni interessanti, come la bussola.

La bussola inventata dai cinesi fa uso del magnetismo terrestre per guidare l'utente durante la navigazione.

Primi studi scientifici

Lo studio dei fenomeni magnetici ebbe un grande progresso grazie a William Gilbert (1544-1603). Questo scienziato inglese dell'era elisabettiana ha studiato il campo magnetico di un magnete sferico e ha concluso che la Terra deve avere il proprio campo magnetico.

Dal suo studio sui magneti, si rese anche conto che non poteva ottenere poli magnetici separati. Quando un magnete viene sezionato in due, anche i nuovi magneti hanno entrambi i poli.

Tuttavia, è stato all'inizio del 19 ° secolo quando gli scienziati hanno realizzato l'esistenza della relazione tra corrente elettrica e magnetismo.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), nato in Danimarca, ebbe nel 1820 l'idea di far passare una corrente elettrica attraverso un conduttore e di osservare l'effetto che questa aveva su una bussola. La bussola devierà e, quando la corrente smetterà di scorrere, la bussola punterà di nuovo a nord come al solito.

Questo fenomeno può essere verificato avvicinando la bussola ad uno dei cavi che escono dalla batteria dell'auto, mentre si aziona lo starter.

Al momento della chiusura del circuito l'ago dovrebbe subire una deflessione osservabile, poiché le batterie delle auto possono fornire correnti sufficientemente elevate da far deviare la bussola.

In questo modo è diventato chiaro che le cariche in movimento sono ciò che dà origine al magnetismo.

Indagini moderne

Alcuni anni dopo gli esperimenti di Oersted, il ricercatore britannico Michael Faraday (1791-1867) segnò un'altra pietra miliare scoprendo che i campi magnetici variabili a loro volta danno origine a correnti elettriche.

Entrambi i fenomeni, elettrico e magnetico, sono strettamente correlati l'uno all'altro, e ciascuno dà origine all'altro. Furono riuniti dal discepolo di Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), nelle equazioni che portano il suo nome.

Queste equazioni contengono e riassumono la teoria elettromagnetica e sono valide anche all'interno della fisica relativistica.

Proprietà magnetiche dei materiali

Perché alcuni materiali mostrano proprietà magnetiche o acquisiscono facilmente magnetismo? Sappiamo che il campo magnetico è dovuto a cariche in movimento, quindi all'interno del magnete devono esserci correnti elettriche invisibili che danno origine al magnetismo.

Tutta la materia contiene elettroni in orbita attorno al nucleo atomico. L'elettrone può essere paragonato alla Terra, che ha un movimento di traslazione attorno al Sole e anche un movimento di rotazione sul proprio asse.

La fisica classica attribuisce movimenti simili all'elettrone, sebbene l'analogia non sia del tutto accurata. Tuttavia, il punto è che entrambe le proprietà dell'elettrone lo fanno comportare come un minuscolo anello che crea un campo magnetico.

È lo spin dell'elettrone che contribuisce maggiormente al campo magnetico dell'atomo. Negli atomi con molti elettroni, sono raggruppati a coppie e con spin opposti. Pertanto, i loro campi magnetici si annullano a vicenda. Questo è ciò che accade nella maggior parte dei materiali.

Tuttavia, ci sono alcuni minerali e composti in cui è presente un elettrone spaiato. In questo modo il campo magnetico netto non è zero. Questo crea un momento magnetico, un vettore la cui grandezza è il prodotto della corrente e dell'area del circuito.

I momenti magnetici adiacenti interagiscono tra loro e formano regioni chiamate domini magnetici, in cui molti spin sono allineati nella stessa direzione. Il campo magnetico risultante è molto forte.

Ferromagnetismo, paramagnetismo e diamagnetismo

I materiali che possiedono questa qualità sono chiamati ferromagnetici. Sono pochi: ferro, nichel, cobalto, gadolinio e alcune leghe dello stesso.

Il resto degli elementi nella tavola periodica manca di questi effetti magnetici molto pronunciati. Rientrano nella categoria dei paramagnetici o diamagnetici.

Il diamagnetismo infatti è una proprietà di tutti i materiali, che subiscono una leggera repulsione in presenza di un campo magnetico esterno. Il bismuto è l'elemento con il diamagnetismo più accentuato.

D'altra parte, il paramagnetismo consiste in una risposta magnetica meno intensa del ferromagnetismo ma ugualmente attraente. Le sostanze paramagnetiche sono ad esempio l'alluminio, l'aria e alcuni ossidi di ferro come la goethite.

Usi dell'energia magnetica

Il magnetismo fa parte delle forze fondamentali della natura. Poiché anche gli esseri umani ne fanno parte, sono adattati all'esistenza di fenomeni magnetici, così come al resto della vita sul pianeta. Ad esempio, alcuni animali utilizzano il campo magnetico terrestre per orientarsi geograficamente.

Si ritiene infatti che gli uccelli effettuino le loro lunghe migrazioni grazie al fatto che nel loro cervello hanno una sorta di bussola organica che permette loro di percepire e utilizzare il campo geomagnetico.

Sebbene gli umani non abbiano una bussola come questa, hanno invece la capacità di modificare l'ambiente in molti più modi rispetto al resto del regno animale. Pertanto, i membri della nostra specie hanno usato il magnetismo a proprio vantaggio dal momento in cui il primo pastore greco ha scoperto la calamita.

Alcune applicazioni dell'energia magnetica

Da allora ci sono molte applicazioni del magnetismo. Eccone alcuni:

- La suddetta bussola, che utilizza il campo geomagnetico terrestre per orientarsi geograficamente.

- Vecchi schermi per televisori, computer e oscilloscopi, basati sul tubo catodico, che utilizzano bobine che generano campi magnetici. Questi sono responsabili della deviazione del fascio di elettroni in modo che colpisca determinati punti dello schermo, formando così l'immagine.

- Spettrometri di massa, utilizzati per studiare vari tipi di molecole e con molte applicazioni in biochimica, criminologia, antropologia, storia e altre discipline. Fanno uso di campi elettrici e magnetici per deviare le particelle cariche in traiettorie che dipendono dalla loro velocità.

- Propulsione magnetoidrodinamica, in cui una forza magnetica spinge un getto di acqua di mare (un buon conduttore) all'indietro, in modo che per la terza legge di Newton, un veicolo o una barca riceva un impulso in avanti.

- Risonanza magnetica per immagini, metodo non invasivo per ottenere immagini dell'interno del corpo umano. Fondamentalmente utilizza un campo magnetico molto intenso e analizza la risposta dei nuclei di idrogeno (protoni) presenti nei tessuti, che hanno la suddetta proprietà di spin.

Queste applicazioni sono già consolidate, ma in futuro si ritiene che il magnetismo possa combattere anche malattie come il cancro al seno, attraverso tecniche ipertermiche, che producono calore indotto magneticamente.

L'idea è di iniettare magnetite fluida direttamente nel tumore. Grazie al calore prodotto dalle correnti indotte magneticamente, le particelle di ferro diventerebbero abbastanza calde da distruggere le cellule maligne.

Vantaggi e svantaggi

Quando si pensa all'utilizzo di un certo tipo di energia, è necessaria la sua conversione in un qualche tipo di movimento come quello di una turbina, di un ascensore o di un veicolo, per esempio; oppure che si trasforma in energia elettrica che accende qualche dispositivo: telefoni, televisori, un bancomat e simili.

L'energia è una grandezza con molteplici manifestazioni che possono essere modificate in molti modi. L'energia di un piccolo magnete può essere amplificata in modo che si muova continuamente più di poche monete?

Per essere utilizzabile, l'energia deve essere potente e provenire da una fonte molto abbondante.

Energie primarie e secondarie

Tali energie si trovano in natura, da cui vengono prodotti gli altri tipi. Sono conosciute come energie primarie:

- Energia solare.

- Energia atomica.

- Energia geotermica.

- Energia eolica.

- Energia da biomassa.

- Energia da combustibili fossili e minerali.

Da questi vengono prodotte energie secondarie, come l'elettricità e il calore. Dov'è l'energia magnetica qui?

L'elettricità e il magnetismo non sono due fenomeni separati. In effetti, i due insieme sono noti come fenomeni elettromagnetici. Finché uno di loro esiste, l'altro esisterà.

Dove c'è energia elettrica, ci sarà energia magnetica in qualche forma. Ma questa è un'energia secondaria, che richiede la trasformazione preliminare di alcune delle energie primarie.

Caratteristiche delle energie primarie e secondarie

I vantaggi o gli svantaggi dell'utilizzo di un qualche tipo di energia sono stabiliti in base a molti criteri. Questi includono quanto sia facile ed economica la sua produzione e anche quanto il processo sia in grado di influenzare negativamente l'ambiente e le persone.

Una cosa importante da tenere a mente è che le energie si trasformano molte volte prima di poter essere utilizzate.

Quante trasformazioni devono essere avvenute per realizzare la calamita che incollerà la lista della spesa alla porta del frigorifero? Quanti per costruire un'auto elettrica? Sicuramente abbastanza.

E quanto è pulita l'energia magnetica o elettromagnetica? C'è chi crede che l'esposizione costante ai campi elettromagnetici di origine umana provochi problemi di salute e ambientali.

Attualmente sono numerose le linee di ricerca dedicate allo studio dell'influenza di questi campi sulla salute e sull'ambiente, ma secondo prestigiose organizzazioni internazionali, finora non ci sono prove conclusive che siano dannose.

Esempi di energia magnetica

Un dispositivo che serve a contenere energia magnetica è noto come induttore. È una bobina formata avvolgendo un filo di rame con un numero di spire sufficiente, ed è utile in molti circuiti per limitare la corrente ed evitare che cambi bruscamente.

Bobina di rame. Fonte: Pixabay.

Facendo circolare una corrente attraverso le spire di una bobina, si crea un campo magnetico al suo interno.

Se la corrente cambia, cambiano anche le linee del campo magnetico. Questi cambiamenti inducono una corrente nelle spire che gli si oppongono, secondo la legge di induzione di Faraday-Lenz.

Quando la corrente aumenta o diminuisce improvvisamente, la bobina si oppone, quindi può avere effetti protettivi sul circuito.

L'energia magnetica di una bobina

L'energia magnetica viene immagazzinata nel campo magnetico creato nel volume delimitato dalle spire della bobina, che sarà indicato come U _B e che dipende da:

- L'intensità del campo magnetico B.

- L'area della sezione trasversale della bobina A.

- La lunghezza della bobina l.

- La permeabilità del vuoto μ _o.

Viene calcolato come segue:

Questa equazione è valida in qualsiasi regione dello spazio in cui è presente un campo magnetico. Se si conosce il volume V di questa regione, la sua permeabilità e l'intensità del campo, è possibile calcolare quanta energia magnetica possiede.

Esercizio risolto

Il campo magnetico all'interno di una bobina piena d'aria con un diametro di 2,0 cm e una lunghezza di 26 cm è 0,70 T. Quanta energia è immagazzinata in questo campo?

Soluzione

I valori numerici vengono sostituiti nell'equazione precedente, avendo cura di convertire i valori nelle unità del Sistema Internazionale.

1. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fisica 12. Pearson. 135-146.