A cosa servono i magneti?

Forse pensi che i magneti siano interessanti; forse pensi che siano noiosi! A cosa servono, potresti chiederti, a parte nei trucchi di magia infantile e nei cantieri?

Potresti essere sorpreso di quante cose intorno a te funzionano grazie al magnetismo o all’elettromagnetismo. Ogni apparecchio elettrico con un motore elettrico in esso (everythingfrom il tuo spazzolino da denti elettrico toyour tosaerba) utilizza magneti per trasformare l’elettricità in motion.Motors utilizzare l’elettricità per generare magnetismo temporaneo in bobine di filo. Il campo magnetico così prodotto spinge contro il campo fisso di un magnete permanente, facendo girare la parte interna del motore ad alta velocità. È possibile sfruttare questo movimento di rotazione per guidare tutti i tipi di macchine.

Ci sono magneti nel tuo frigorifero che tengono chiusa la porta. I magneti leggono e scrivono dati (informazioni digitali) sull’hard disk del tuo computer e sulle cassette dei vecchi stereo personali. Altri magneti nei tuoi altoparlanti o cuffie aiutano a trasformare la musica memorizzata in suoni che puoi sentire. Se sei malato con una grave malattia interna, puoi avere un tipo di scansione del corpo chiamato NMR (risonanza magnetica nucleare), che disegna il mondo sotto la tua pelle usando modelli di campi magnetici. I magneti sono usati per riciclare la tua spazzatura metallica (le lattine di cibo in acciaio sono fortemente magnetiche ma quelle di alluminio non lo sono, quindi un magnete è un modo semplice per separare i due diversi metalli).

Foto: Una scansione NMR come questa costruisce un’immagine dettagliata del corpo di un paziente (o, in questo caso, della sua testa) su uno schermo di computer usando l’attività magnetica degli atomi nel suo tessuto corporeo. Si può vedere il paziente che entra nello scanner in alto e l’immagine della sua testa sullo schermo in basso. Foto per gentile concessione di Warren Grant Magnuson Clinical Center (CC) e USNational Institutes of Health (NIH).

Quali materiali sono magnetici? La maggior parte degli altri metalli comuni (come rame, oro, argento e alluminio) sono, a prima vista, non magnetici e la maggior parte dei non metalli (tra cui carta, legno, plastica, cemento, vetro e tessuti come cotone e lana) sono non magnetici troppo. Ma il ferro non è l’unico metallo magnetico. Il nichel, il cobalto e gli elementi che appartengono ad una parte della tavola periodica (l’ordine che i chimici usano per descrivere tutti gli elementi chimici conosciuti) conosciuta come i metalli delle terre rare (notablysamarium e neodimio) fanno anche dei buoni magneti. Alcuni dei migliori magneti sono leghe (miscele) di questi elementi tra loro e con altri elementi. Le ferriti (composti fatti di ferro, ossigeno e altri elementi) fanno anche magneti superbi. Lodestone (che è anche chiamato magnetite) è un esempio di ferrite che si trova comunemente all’interno della Terra (ha la formula chimica FeO-Fe2O3).

Materiali come il ferro diventano buoni magneti temporanei quando si mette un magnete vicino a loro, ma tendono a perdere parte o tutto il loro magnetismo quando si toglie di nuovo il magnete. Al contrario, le leghe di ferro e i metalli delle terre rare mantengono la maggior parte del loro magnetismo anche quando si rimuove da un campo magnetico, sothey fare buoni magneti permanenti. Chiamiamo questi materiali magneticamente duri.

È vero dire che tutti i materiali sono magnetici o non magnetici? La gente lo pensava, ma gli scienziati ora sanno che anche i materiali che consideriamo non magnetici sono influenzati dal magnetismo, anche se in modo estremamente debole. La misura in cui un materiale può essere magnetizzato è chiamato la sua suscettibilità.

Come diversi materiali reagiscono al magnetismo

Gli scienziati hanno un certo numero di parole diverse per descrivere howmaterials comportarsi quando li metti vicino a un magnete (che è un altro modo di dire quando li metti dentro un campo magnetico). A grandi linee, tutti i materiali si dividono in due tipi chiamati paramagnetici e diamagnetici, mentre alcuni dei materiali paramagnetici sono anche ferromagnetici. È importante avere chiaro cosa significano queste parole confuse…

Paramagnetico

Fate un campione di un materiale magnetico e appendetelo a un filo in modo che penda in un campo magnetico, e si magnetizzerà e si allineerà in modo che il suo magnetismo sia parallelo al campo. Come la gente ha saputo per migliaia di anni, questo è come esattamente un ago della bussola si comporta nel campo magnetico terrestre. I materiali che si comportano in questo modo sono chiamati paramagnetici. Metalli come l’alluminio e la maggior parte dei non metalli (che si potrebbe pensare non sono magnetici a tutti) sono effettivamente paramagnetici, ma in modo così debole che non si nota. Il paramagnetismo dipende dalla temperatura: più un materiale è caldo, meno è probabile che sia influenzato dai magneti vicini.

Foto: Pensiamo all’alluminio (usato in lattine come queste) come non magnetico. Questo ci aiuta a separare per il riciclaggio le nostre lattine di alluminio (che non si attaccano ai magneti) da quelle di acciaio (che lo fanno). Infatti, entrambi i materiali sono magnetici. La differenza è che l’alluminio è debolmente paramagnetico, mentre l’acciaio è fortemente ferromagnetico. Foto per gentile concessione della US Air Force.

Ferromagnetico

Alcuni materiali paramagnetici, in particolare il ferro e i metalli delle terre rare, diventano fortemente magnetizzati in un campo e di solito rimangono magnetizzati anche quando il campo viene rimosso. Diciamo che materiali come questo sono ferromagnetici, che in realtà significa solo che sono “magnetici come il ferro”. Tuttavia, un materiale ferromagnetico perderà ancora il suo magnetismo se lo si riscalda oltre un certo punto, noto come la sua temperatura di Curie. Il ferro ha una temperatura di Curie di 770°C (1300°F), mentre per il nichel la temperatura di Curie è ~355°C (~670°F). Se si riscalda un magnete di ferro a 800°C (~1500°F), smette di essere un magnete. Si può anche distruggere o indebolire il ferromagnetismo se si colpisce ripetutamente un magnete.

Diamagnetico

Possiamo pensare ai materiali paramagnetici e ferromagnetici come a dei “fan” del magnetismo: in un certo senso, essi “amano” il magnetismo e rispondono positivamente ad esso permettendo di essere magnetizzati. Non tutti i materiali rispondono così entusiasticamente. Se si appendono alcuni materiali in campi magnetici, si agitano abbastanza all’interno e resistono: si trasformano in magneti temporanei per resistere alla magnetizzazione e respingono debolmente i campi magnetici all’esterno. Chiamiamo questi materiali diamagnetici. L’acqua e molte sostanze organiche (a base di carbonio), come il benzene, si comportano in questo modo. Legate un materiale diamagnetico a un filo e appendetelo in un campo magnetico e girerà in modo da fare un angolo di 180° con il campo.

Che cosa causa il magnetismo?

All’inizio del 20° secolo, prima che gli scienziati comprendessero correttamente la struttura degli atomi e il loro funzionamento, hanno elaborato un’idea facile da capire chiamata teoria del dominio per spiegare il magnetismo. Alcuni anni dopo, quando capirono meglio gli atomi, scoprirono che la teoria del dominio funzionava ancora, ma poteva essere spiegata, ad un livello più profondo, dalla teoria degli atomi. Tutti i diversi aspetti del magnetismo che osserviamo possono essere spiegati, in definitiva, parlando di domini, elettroni negli atomi o entrambi. Guardiamo le due teorie a turno.

Spiegare il magnetismo con la teoria dei domini

Immaginate una fabbrica da qualche parte che produce piccole barre magnetiche e le spedisce alle scuole per le loro lezioni di scienze. Immaginate un ragazzo chiamato Dave che deve guidare il loro camion, trasportando un sacco di scatole di cartone, ognuna con un magnete al suo interno, in una scuola diversa. Dave non ha il tempo di preoccuparsi da che parte sono impilate le scatole, così le impila dentro il suo camion in qualsiasi modo. Il magnete all’interno di una scatola potrebbe essere rivolto a nord, mentre quello accanto è rivolto a sud, est o ovest. Nel complesso, i magneti sono tutti confusi così, anche se i campi magnetici fuoriescono da ogni scatola, tutti si annullano a vicenda.

La stessa fabbrica impiega un altro autista di camion chiamato Bill whocouldn’t be more different.He ama tutto in ordine, così lui carica il suo camion in modo diverso, impilando tutte le scatole ordinatamente in modo che si allineino esattamente allo stesso modo. Riesci a vedere cosa succederà? Il campo magnetico di una scatola si allineerà con il campo di tutte le altre scatole… trasformando effettivamente il camion in un magnete gigante. La cabina sarà come un polo nord gigante e la parte posteriore del camion un enorme polo sud!

Quello che succede all’interno di questi due camion è quello che succede su una scala minuscola all’interno dei materiali magnetici. Secondo la teoria dei domini, qualcosa di simile a una barra di ferro contiene un sacco di piccole tasche chiamate domini. Ogni dominio è un po’ come una scatola con un magnete all’interno. Vedi dove stiamo andando? La barra di ferro è proprio come il camion. Normalmente, tutte le sue “scatole” a bordo sono disposte in modo casuale e non c’è magnetismo complessivo: il ferro non è magnetizzato. Quando si porta un magnete su una barra di ferro non magnetizzata e la si accarezza sistematicamente e ripetutamente su e giù, ciò che si sta facendo è riordinare tutte le “scatole” magnetiche (domini) all’interno in modo che puntino nella stessa direzione.

La teoria dei domini spiega cosa succede dentro i materiali quando sono magnetizzati. In un materiale non magnetizzato (a sinistra), i domini sono disposti in modo casuale così non c’è un campo magnetico complessivo. Quando si magnetizza un materiale (a destra), accarezzando una barra magnetica su di esso ripetutamente nella stessa direzione, i domini riorganizzare sotheir campi magnetici allineare, producendo un campo magnetico combinato nella stessa direzione.

Questa teoria spiega come il magnetismo può sorgere, ma può spiegare alcune delle altre cose che sappiamo sui magneti? Se si taglia un magnete a metà, sappiamo che si ottengono due magneti, ciascuno con un polo nord e sud. Questo ha senso secondo la teoria del dominio. Se si taglia un magnete a metà, si ottiene un magnete più piccolo che è ancora pieno di domini, e questi possono essere disposti nord-sud proprio come nel magnete originale. E il modo in cui il magnetismo scompare quando si colpisce un magnete o lo si riscalda? Anche questo può essere spiegato. Immaginate di nuovo il furgone pieno di scatole ordinate. Guidalo in modo irregolare, a velocità molto alta, ed è un po’ come scuoterlo o prenderlo a martellate. Il riscaldamento di un magnete lo agita internamente e fa scomparire le scatole in modo molto simile.

Spiegare il magnetismo con la teoria atomica

La teoria del dominio è abbastanza facile da capire, ma non è una spiegazione completa. Sappiamo che le barre di ferro non sono piene di scatole piene di piccoli magneti e, se ci pensate, cercare di spiegare un magnete dicendo che è pieno di magneti più piccoli non è affatto una spiegazione, perché fa immediatamente sorgere la domanda: di cosa sono fatti i magneti più piccoli? Fortunatamente, c’è un’altra teoria a cui possiamo rivolgerci.

Nel XIX secolo, gli scienziati scoprirono che potevano usare l’elettricità per fare magnetismo e il magnetismo per fare elettricità. JamesClerk Maxwell disse che i due fenomeni erano in realtà aspetti diversi della stessa cosa, l’elettromagnetismo, come due lati dello stesso pezzo di carta. L’elettromagnetismo era un’idea brillante, ma era più una descrizione che una spiegazione: mostrava come erano le cose piuttosto che spiegare perché erano così. Non è stato fino al 20° secolo, quando gli scienziati successivi sono arrivati a capire il mondo dentro gli atomi, che la spiegazione dell’elettromagnetismo è finalmente apparsa.

Sappiamo che tutto è fatto di atomi e che gli atomi sono costituiti da un blocco centrale di materia chiamato nucleo. Minuscole particelle chiamate elettroni si muovono intorno al nucleo in orbita, un po’ come i satelliti nel cielo sopra di noi, ma girano anche sul loro asse allo stesso tempo (proprio come le trottole). Sappiamo che gli elettroni trasportano correnti elettriche (flussi di elettricità) quando si muovono attraverso materiali come i metalli; gli elettroni sono, in un certo senso, piccole particelle di elettricità. Ora, nel XIX secolo, gli scienziati sapevano che l’elettricità in movimento è il magnetismo. Nel 20° secolo, divenne chiaro che il magnetismo era causato dagli elettroni che si muovevano all’interno degli atomi e che creavano campi magnetici intorno a loro. I domini sono in realtà gruppi di atomi in cui gli elettroni che girano producono un campo magnetico complessivo che punta in un modo o nell’altro.

Artwork: Il magnetismo è causato dagli elettroni che orbitano e girano all’interno degli atomi. Si noti che questa immagine non è disegnata in scala: la maggior parte di un atomo è spazio vuoto e gli elettroni sono in realtà molto più lontani dal nucleo di quanto ho disegnato qui.

Come la teoria del dominio, la teoria atomica può spiegare molte delle cose che sappiamo sui magneti, compreso il paramagnetismo (il modo in cui i materiali magnetici si allineano con i campi magnetici). La maggior parte degli elettroni in un atomo esiste in coppie che girano in direzioni opposte, così l’effetto magnetico di un elettrone in una coppia annulla l’effetto del suo partner. Ma se un atomo ha alcuni elettroni non accoppiati (gli atomi di ferro ne hanno quattro), questi producono campi magnetici netti che si allineano tra loro e trasformano l’intero atomo in un mini magnete. Quando si mette un materiale paramagnetico come il ferro in un campo magnetico, gli elettroni cambiano il loro movimento per produrre un campo magnetico che si allinea con il campo esterno.

Che dire del diamagnetismo? Nei materiali diamagnetici, non ci sono elettroni spaiati, quindi questo non accade. Gli atomi hanno poco o nessun magnetismo generale e sono meno influenzati dai campi magnetici esterni. Tuttavia, gli elettroni che orbitano al loro interno sono particelle elettricamente cariche e, quando si muovono in un campo magnetico, si comportano come qualsiasi altra particella elettricamente carica in un campo magnetico e sperimentano una forza. Questo cambia le loro orbite molto leggermente, producendo un certo magnetismo netto che si oppone proprio alla cosa che lo causa (secondo la classica parte della teoria elettromagnetica conosciuta come legge di Lenz, che è legata alla legge di conservazione dell’energia). Come risultato, il debole campo magnetico che producono si oppone al campo magnetico che lo causa – che è esattamente quello che vediamo quando i materiali diamagnetici cercano di “combattere” il campo magnetico in cui sono posti.

Una breve storia del magnetismo

• Mondo antico: Il magnetismo è noto agli antichi greci, romani e cinesi. I cinesi usano le bussole geomantiche (quelle con iscrizioni in legno disposte ad anello intorno ad un ago magnetico centrale) nel Feng Shui. I magneti guadagnano il loro nome da Manisa in Turchia, un luogo un tempo chiamato Magnesia, dove la calce magnetica è stata trovata nel terreno.
• 13 ° secolo: Le bussole magnetiche vengono utilizzate per la prima volta per la navigazione nelle nazioni occidentali. Il francese Petrus Perigrinus (chiamato anche Peterof Maricourt) fa i primi studi adeguati di magnetismo.
• 17° secolo: Il medico e scienziato inglese William Gilbert (1544-1603) pubblica On Magnets, il suo monumentale studio scientifico sul magnetismo, e propone che la Terra sia un magnete gigante.
• 18° secolo: L’inglese John Michell (1724-93) e il francese Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) studiano le forze che i magneti possono esercitare. Coulomb fa anche importanti studi sull’elettricità, ma non riesce a collegare elettricità e magnetismo come parti dello stesso fenomeno sottostante.
• 19° secolo: Il danese Hans Christian Oersted (1777-1851), i francesi André-Marie Ampère (1775-1836) e Dominique Arago (1786-1853), e l’inglese Michael Faraday (1791-1867) esplorano le strette connessioni tra elettricità e magnetismo. JamesClerk Maxwell (1831-1879) pubblica una spiegazione relativamente completa dell’elettricità e del magnetismo (la teoria dell’elettromagnetismo) e suggerisce che l’energia elettromagnetica viaggia in onde (aprendo la strada all’invenzione della radio).Pierre Curie (1859-1906) dimostra che i materiali perdono il loro magnetismo oltre una certa temperatura (ora conosciuta come la temperatura di Curie). Wilhelm Weber (1804-1891) sviluppa metodi pratici per rilevare e misurare la forza di un campo magnetico.
• 20° secolo: Paul Langevin (1872-1946) elabora il lavoro di Curie con una teoria che spiega come il magnetismo è influenzato dal calore. Il fisico francese Pierre Weiss (1865-1940) propone l’esistenza di particelle chiamate magnetron, equivalenti agli elettroni, che causano le proprietà magnetiche dei materiali e delinea la teoria dei domini magnetici.Due scienziati americani, Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) e George Eugene Uhlenbeck (1900-88), mostrano come le proprietà magnetiche dei materiali risultano dal movimento di rotazione degli elettroni al loro interno.