Magnetismo

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Che cos'è il magnetismo?

Magnetismo è un termine che racchiude tutti i fenomeni attribuiti alle forze magnetiche. Storicamente, le forze magnetiche sono state osservate per la prima volta nelle pietre della città greca di Magnesia. Il magnete e il magnetismo prendono il nome dalla città greca di Magnesia. Il contesto fisico delle forze magnetiche ed elettriche è stato chiarito solo nel XIX secolo e formulato matematicamente nel 1864 da James Clerk Maxwell con l'aiuto delle equazioni di Maxwell.

Indice

Storia del magnetismo

Il magnetismo è il fenomeno fisico delle forze magnetiche. Già nel 500 a.C. i Greci riconoscevano le forze elettriche e magnetiche di attrazione e repulsione. Esistono prove dell'osservazione di forze elettriche di attrazione tra pezzi di carta e ambra grattugiata. Le forze che agiscono in questo caso sono causate dalla carica elettrostatica dell'ambra grattugiata. Nel 500 a.C., nell'antica Grecia, Talete di Mileto descrisse gli effetti di forza delle pietre della città di Magnesia sulle particelle di ferro. Il sito di scoperta nei pressi di Magnesia diede il nome al fenomeno del magnetismo. Si presume addirittura che i cinesi abbiano riconosciuto i poteri della pietra magnetica già nell'800 a.C., 300 anni prima che le osservazioni greche fossero documentate. La prima bussola primitiva fu sviluppata in Cina intorno al 1000 d.C..

Molti ricercatori hanno studiato il fenomeno del magnetismo fin dal Rinascimento (intorno al 1500). Spesso si faceva confusione tra magnetismo ed elettricità. Al contrario, alcuni ricercatori consideravano i due fenomeni fondamentalmente diversi. Nel 1785, Coulomb confermò che, a differenza dell'elettricità, è impossibile separare un magnete in un polo nord e un polo sud. Se si scompone un magnete permanente, ci si ritrova sempre con magneti più piccoli, ciascuno con un polo nord e uno sud.

Nel 1820 Oersted, che conosceva bene la differenza tra elettricità e magnetismo, riconobbe il legame tra forze elettriche e magnetiche quando scoprì la deflessione dell'ago di una bussola da parte di un filo percorso da corrente.

Le equazioni di Maxwell: le equazioni fondamentali del magnetismo

Una spiegazione completa di tutti i fenomeni elettrici e magnetici in senso fisico e matematico è stata fornita solo nel 1864 dal fisico James Clerk Maxwell. Egli scrisse le equazioni di Maxwell che prendono il suo nome e che descrivono completamente i campi magnetici ed elettrici e le forze che ne derivano. Le equazioni fondamentali del magnetismo sono due delle quattro equazioni di Maxwell, che descrivono i campi vettoriali della densità di flusso magnetico.

Queste due equazioni di Maxwell, dipendenti dal tempo, descrivono la relazione tra la densità di flusso magnetico \(\vec{B}\) con la densità di corrente \(\vec{j}\) e la variazione dell'intensità del campo elettrico \(\dot{\vec{E}}\) sono le seguenti:

\(\nabla\cdot\vec{B} = 0\)
e

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\).

Compaiono nell'equazione la costante di permeabilità del vuoto \(\mu_0\), la densità di corrente \(\vec{j}\) e la velocità della luce c.

Secondo le equazioni di Maxwell, esistono solo linee di campo magnetico chiuse. Ciò è descritto dall'equazione \(\nabla\cdot\vec{B} = 0\). L'equazione afferma che la parte “aperta” delle linee di campo, cioè la cosiddetta divergenza del campo magnetico, è uguale a zero. Matematicamente, questo equivale a dire che non esistono monopoli magnetici, cioè magneti con un solo polo nord o un solo polo sud.

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\) afferma che le linee di campo magnetico chiuse sono causate o da correnti \(\vec{j}\) cioè da cariche in movimento, oppure in generale dalla variazione di un campo elettrico \(\dot{\vec{E}}\). Quest'ultima è rilevante per la descrizione delle onde elettromagnetiche, che si propagano nello spazio come oscillazioni elettriche e magnetiche che si generano reciprocamente. Quest'ultima equazione spiega l'osservazione di Oersted: l'ago della bussola magnetica è di per sé un piccolo magnete permanente. Tuttavia, il filo che trasporta la corrente provoca linee di campo magnetico che interagiscono con il campo magnetico dell'ago della bussola ed esercitano una forza sull'ago.

Le cariche stesse generano a loro volta forze elettriche. Anche questo è descritto da due equazioni di Maxwell:

\(\nabla\cdot\vec{E} = \frac\rho\epsilon_0\)
e

\(\nabla{\times{\vec{E}}}+\dot{\vec{B}} = 0\).

Qui ρ indica la densità di carica come fonte più importante del campo elettrico \(\vec{E}\). ε₀ indica la costante dielettrica del vuoto. Le linee di campo chiuse (rotazioni) del campo elettrico \(\nabla{\times{\vec{E}}}\) sono causate dalla variazione del flusso magnetico \(\dot{\vec{B}}\) allo stesso modo delle linee di campo magnetico chiuse.

Con le equazioni di Maxwell è stata realizzata per la prima volta una chiara separazione tra elettricità e magnetismo e, allo stesso tempo, una descrizione standardizzata dell'elettricità e del magnetismo in fisica. Qui le forze dell'elettricità e del magnetismo sono spiegate da campi, cioè campi magnetici e campi elettrici.

La figura mostra schematicamente il campo magnetico di una corrente I (a sinistra) (nelle equazioni di Maxwell, j indica la densità di corrente, cioè la corrente in rapporto all'area). Il campo magnetico circonda il conduttore in vortici chiusi. Il campo magnetico di una spira di conduttore viene creato di conseguenza (centro). Molte spire di conduttore insieme (in forma “impilata”) danno origine al campo magnetico di una bobina. Questo è identico al campo magnetico di un magnete permanente (a destra). In un magnete permanente, o in un materiale magnetizzato in generale, gli spin degli elettroni sono allineati in parallelo. Ciò equivale a molte correnti circolari con momenti magnetici associati allineati parallelamente tra loro. Il campo magnetico esterno è quindi creato dalla sovrapposizione dei contributi di tutti i momenti magnetici elementari.

Oggi parliamo della teoria dell'elettromagnetismo. La teoria dei campi di elettricità e magnetismo variabili nel tempo è nota come elettrodinamica. L'elettrodinamica si occupa quindi del magnetismo e dell'elettricità nella loro interezza.

L'effetto dei campi magnetici sulla materia è descritto dai cosiddetti “parametri dei materiali”, come la permeabilità magnetica μ. Questa può essere calcolata anche con le equazioni di Maxwell. Inoltre, nelle equazioni devono essere incorporati effetti come la magnetizzazione e la polarizzazione elettrica. Oggi, la crescente accuratezza nella determinazione dei parametri dei materiali e il trattamento degli oggetti quantistici nell'elettrodinamica quantistica si sono aggiunti all'elettrodinamica classica e sono attuali aree di ricerca.

Nel 2007, il fisico Grünberg è stato insignito del Premio Nobel per la sua scoperta della cosiddetta magnetoresistenza gigante.

Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt

Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

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