Elettricità e Magnetismo

Introduzione

Il magnetismo, forza di attrazione o repulsione tra sostanze diverse, in particolare quelle di ferro e di alcuni altri metalli, in ultima analisi, è dovuto al moto di cariche elettriche.

Poli magnetici, forze e campi

Qualsiasi oggetto che presenta proprietà magnetiche è chiamato magnete. Ogni magnete ha due punti, o poli, dove la maggior parte della sua forza è concentrata, che sono designati come polo nord e polo sud, perché un magnete sospeso tende ad orientarsi lungo una linea nord-sud. Dal momento che un magnete ha due poli, si è talvolta chiamato dipolo magnetico: analogo a un dipolo elettrico, composto da due cariche opposte. I poli uguali di magneti diversi si respingono a vicenda, quelli uguali si attraggono.

Una proprietà notevole dei magneti è che ogni volta che un magnete si spezza, un polo nord apparirà in uno delle facce rotte e un polo sud nella faccia opposta, in modo che ogni pezzo ha il suo polo nord e sud. È impossibile isolare un unico polo magnetico, a prescindere dal numero di volte in cui si spezza un magnete o per quanto piccoli diventino i frammenti. (La questione teorica per quanto riguarda la possibile esistenza in ogni stato di un unico polo magnetico, chiamato un monopolo, è ancora considerato aperto dai fisici; gli esperimenti finora, però, non sono riusciti a individuare uno.)

Dal suo studio del magnetismo, C. A. Coulomb nel 18° sec. constatò che le forze magnetiche tra i due poli seguono una legge dell'inverso del quadrato della stessa regola che descrive le forze tra cariche elettriche. La legge stabilisce che la forza di attrazione o di repulsione tra due poli magnetici è direttamente proporzionale al prodotto delle forze di poli e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di loro.

Come nel caso di cariche elettriche, l'effetto di questa forza magnetica che agisce a distanza è espressa in termini di campo di forza. Un poli magnetici stabilisce un campo di forza nello spazio intorno ad esso, che esercita una forza su materiali magnetici. Il campo può essere visualizzato in termini di linee di induzione (simile alle linee di forza di un campo elettrico). Queste linee immaginarie indicano la direzione del campo in una determinata regione. Per convenzione queste linee hanno origine al polo nord di un magnete e formano un anello che termina al polo sud o del magnete stesso o di qualche altro magnete nelle vicinanze (vedi: flusso magnetico). Le linee sono distanziate in modo che il numero per unità di superficie è proporzionale alla intensità di campo in una determinata zona. Così, le linee convergono avvicinandosi vicino ai poli, dove il campo è forte, e si allargano all’aumentare della loro distanza dai poli.

Un quadro di queste linee di induzione si può avere tramite limatura di ferro: sparpagliandola su un pezzo di carta posto sopra un magnete, i singoli frammenti di ferro si magnetizzano inserendosi in un campo magnetico, cioè, si comportano come piccoli magneti, distribuendosi lungo le linee di induzione.

Utilizzando magneti di varie forme e varie combinazioni di più di un magnete, possono essere ottenute le rappresentazioni del campo in differenti situazioni.

Materiali magnetici

Il termine magnetismo deriva da Magnesia, il nome di una regione dell’Asia Minore, dove la magnetite, un minerale naturalmente magnetico di ferro, fu trovato in tempi antichi. Il ferro non è l'unico materiale che si magnetizza facilmente, quando immesso in un campo magnetico: altri sono, per esempio, nichel e cobalto. L’acciaio al carbonio è stato a lungo il materiale comunemente utilizzato per i magneti permanenti, ma più recentemente altri materiali sono stati sviluppati, che sono molto più efficienti come magneti permanenti, tra cui l’alnico, una lega di ferro, alluminio, nickel, cobalto e rame.

I materiali che rispondono bene a un campo magnetico sono chiamati ferromagnetici [Lat. Ferrum: ferro]. La capacità di un materiale di magnetizzarsi o di rafforzare il campo magnetico nelle sue vicinanze, si esprime con la sua permeabilità magnetica. I materiali ferromagnetici hanno permeabilità di 1.000 (o più) volte che lo spazio libero (a vuoto). Un certo numero di materiali sono molto debolmente attratti da un campo magnetico, con permeabilità leggermente superiore a quella dello spazio libero; questi materiali sono chiamati paramagnetici. Pochi materiali, come il bismuto e l’antimonio, sono respinti da un campo magnetico, con permeabilità inferiore a quello di spazio libero; questi materiali sono chiamati diamagnetici.

La base del magnetismo

La base elettrica per le proprietà magnetiche della materia è stata verificata fino al livello atomico. Poiché l'elettrone è dotato sia di carica elettrica che di movimento orbitante, può essere chiamato una carica in movimento. Questa carica in movimento dà luogo a un piccolo campo magnetico. Nel caso di molti atomi, tutti gli elettroni sono appaiati ai livelli di energia, secondo il principio di esclusione, in modo che gli elettroni in ogni coppia hanno opposto movimento di rotazione (antiparallelo) e i loro campi magnetici si annullino. In alcuni atomi, tuttavia, ci sono più elettroni con rotazione in una direzione che nell'altra, ne risulta un campo magnetico per l'atomo nel suo complesso (questa è la situazione in una sostanza paramagnetica). Se tale materiale viene posto in un campo esterno, ad esempio, il campo creato da un elettromagnete, i singoli atomi tendono ad allineare i loro campi con quello esterno. L'allineamento non sarà completo, per l'effetto dirompente delle vibrazioni termiche. A causa di questo, una sostanza paramagnetica è solo debolmente attratta da una calamita.

Anche in una sostanza ferromagnetica, ci sono anche più elettroni con rotazione in una direzione che nell'altra. I singoli campi magnetici degli atomi in una determinata regione tendono ad allinearsi nella stessa direzione, in modo che si rafforzano a vicenda. Tale regione è chiamata un dominio. In un campione non magnetizzato, i domini sono di dimensioni diverse e hanno diversi orientamenti. Quando un campo magnetico esterno viene applicato, i domini i cui orientamenti sono nella stessa direzione generale, cominceranno a crescerà a scapito dei domini con altri orientamenti.

Quando i domini in tutte le altre direzioni sono scomparsi, i domini rimanenti ruotano in modo tale che la loro direzione è esattamente la stessa di quella del campo esterno. Dopo che questa rotazione è completa, nessuna magnetizzazione può aver più luogo, non importa quanto sia forte il campo esterno; si dice sia stato raggiunto un punto di saturazione. Se il campo esterno è quindi ridotto a zero, si constata che il campione conserva ancora parte del suo magnetismo, questo è noto come isteresi.

Evoluzione della Teoria elettromagnetica

I collegamenti tra magnetismo ed elettricità sono stati scoperti all’inizio del 19° sec. Nel 1820 H. C. Oersted scoprì che un filo che trasporta una corrente elettrica devia l'ago di una bussola magnetica, perché un campo magnetico è creato dalle cariche in movimento che costituiscono la corrente elettrica. Si scoprì che le linee di induzione del campo magnetico che circondano il filo (o qualsiasi altro conduttore) sono circolari. Se il cavo viene piegato in una bobina, chiamata solenoide, i campi magnetici dei singoli cicli si combinano per produrre un forte campo che attraversa il nucleo della bobina. Questo campo può essere aumentato con l'inserimento di un pezzo di ferro dolce o di altro materiale ferromagnetico nel nucleo, la risultante di questa serie di processi è un elettromagnete: l’elemento di congiunzione tra magnetismo ed elettricità.

In seguito alla scoperta di Oersted i vari effetti magnetici di una corrente elettrica sono stati ampiamente studiati da JB Biot, Félix Savart, e A.M. Ampère. Ampère nel 1825 dimostrò che non solo un conduttore di corrente elettrica è in grado di esercitare una forza su un magnete, ma anche i magneti sono in grado di esercitare forze su conduttori. Nel 1831 Michael Faraday e Joseph Henry scoprirono, indipendentemente l’uno dall’altro, che è possibile produrre una corrente in un conduttore cambiando il campo magnetico su di esso. La scoperta di questo effetto, chiamato induzione elettromagnetica, insieme con la scoperta che una corrente elettrica genera un campo magnetico, ha gettato le basi per l'età moderna dell’energia elettrica. Sia il generatore elettrico, che rende l'elettricità ampiamente disponibile, che il motore elettrico, che converte in energia elettrica il lavoro meccanico, sono basati su questi effetti.

Un altro rapporto tra elettricità e magnetismo è che il cambiamento regolare di corrente elettrica in un conduttore,  crea un campo magnetico variabile nello spazio del conduttore, che a sua volta dà luogo a un campo elettrico variabile. In questo modo regolari oscillazioni di campi elettrici e magnetici possono generarsi vicendevolmente. Questi campi possono essere visualizzati come una singola onda, che si propaga attraverso lo spazio.

La teoria formale alla base di questa radiazione elettromagnetica è stata sviluppata da James C. Maxwell verso la metà  19° sec. Maxwell dimostrò che la velocità di propagazione della radiazione elettromagnetica è identica a quella della luce, rivelando così che la luce è intimamente connessa con l'elettricità e il magnetismo.