Magnetismo e elettromagnetismo
Magnetismo
In fisica il magnetismo è quel fenomeno per cui alcuni materiali sono in grado di attrarre ferro e altri elementi metallici.
Le prime manifestazioni del magnetismo
Nel 600 a.C. Talete di Mileto descrive la particolare proprietà di alcune rocce che erano in grado di attrarre pezzi di ferro. Queste rocce si trovavano nella regione dell’antica città di Magnesia, sulle coste dell’attuale Turchia, da cui il nome della roccia, magnetite (Fe3O4 è un ossido di ferro), e quello del fenomeno: magnetismo.
La bussola
Una bussola è un dispositivo in cui un ago magnetizzato è in grado di ruotare su un piano orizzontale. L’ago della bussola si ferma sempre in modo tale che la sua direzione indica il nord magnetico.
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Le prime bussole erano realizzate con una pietra magnetica e risalgono alla dinastia Han: venivano utilizzate per scegliere luoghi adatti alla costruzione di edifici o dove avviare colture oppure per la ricerca di gemme rare.
Solo più tardi, durante la dinastia Song (X-XI secolo d.C.), le bussole furono adattate alla navigazione. Queste bussole erano realizzate con un ago magnetizzato: in pratica un sottile ago di ferro veniva magnetizzato colpendolo con dei frammenti di magnetite naturalmente magnetizzati.
La bussola rese possibile la navigazione con il cielo coperto e permise di allontanarsi sempre più dalle coste, aprendo la strada alle grandi navigazioni.
Il De magnete di Willliam Gilbert
Nel sedicesimo secolo William Gilbert condusse diversi esperimenti con bussole e nel suo De Magnete descrisse la Terra come un gigante magnete.
Gilbert era a conoscenza del funzionamento della bussola e sapeva che una bussola era libera di orientarsi in qualsiasi punto della superficie terrestre verso il nord magnetico; ma cosa faceva ruotare l’ago magnetico? secondo Gilbert era la Terra stessa che doveva esercitare un’influenza sulle bussole e dunque formulò l’ipotesi, che si dimostrò corretta, che fosse proprio la Terra a comportarsi come un magnete.
Caratteristiche del magnetismo
Con un magnete, una lastra di vetro e della limatura di ferro si può caratterizzare meglio il comportamento di un magnete.
(Per vedere il video attivate i sottotitoli autogenerati in italiano):
Poniamo la lastra di vetro sopra il magnete e spargiamoci sopra della limatura di ferro: quello che si può osservare è che la maggior parte della limatura di ferro si concentrerà lungo le due estremità del magnete e la restante si disporrà a formare come un disegno attorno al magnete.
Se la maggior parte della limatura si addensa alle estremità, queste devono essere caratterizzate da un’intensa attività magnetica, le chiameremo poli magnetici e possiamo indicarli con A e B, oppure come polo nord e sud del magnete.
Se prendiamo due magneti identici, ne teniamo uno fermo e avviciniamo l’altro al primo, possiamo osservare che se la distanza è sufficiente non c’è interazione tra i due; man mano che la distanza diminuisce si possono presentare due casi: se avviciniamo i magneti facendo sì che le estremità dello stesso tipo si fronteggino (A-A o B-B), i magneti si respingono; se avviciniamo estremità di tipo opposto (A-B o B-A) i magneti si attraggono.
Veniamo adesso al disegno che forma la limatura di ferro attorno al magnete: se prendiamo una bussola e la posizioniamo su un punto attorno al magnete possiamo osservare che l’ago della bussola si disporrà tangente alla linea che passa per quel punto. In assenza del magnete la bussola indicherebbe il nord magnetico, è la sua presenza che ne fa variare la posizione: l’ago della bussola risente di un’azione, di una forza, che il magnete esercita nello spazio attorno a sé, è il campo magnetico, di cui la limatura di ferro evidenzia le linee di forza.
Dal magnetismo all’elettro-magnetismo: gli esperimenti di Oersted e Faraday
Nel 1821 Hans Christian Oersted scoprì che un cavo percorso da corrente era in grado di deflettere l’ago di una bussola, e dunque osservò che una corrente elettrica genera un campo magnetico.
Nel 1831 Michael Faraday introdusse la legge di induzione elettromagnetica, per cui un campo magnetico variabile nel tempo induce una corrente elettrica alternata.
Elettromagnetismo
Dopo gli esperimenti di Hans Christian Ørsted e Michael Faraday si capisce che i fenomeni elettrici e quelli magnetici sono strettamente connessi e, quando variano nel tempo, si influenzano a vicenda.
Si entra così nel territorio dell’elettromagnetismo.
Le equazioni di Maxwell
Una descrizione completa dell’interazione elettromagnetica fu possibile con l’introduzione delle leggi di Maxwell.
Queste equazioni apparvero per la prima volta al completo nel testo A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, pubblicato da James Clerk Maxwell nel 1865.
Esse raggruppano ed estendono le leggi dell’elettromagnetismo note fino alla metà del XIX secolo ed esprimono come il campo elettromagnetico evolve nel tempo e quali vincoli deve rispettare.
Quello che si sapeva e il contributo di Maxwell
All’epoca era noto che:
- le cariche elettriche creano campi elettrici;
- quando le cariche si muovono in modo costante, formano correnti elettriche, che a loro volta creano campi magnetici.
Inoltre:
- se le cariche o le correnti cambiano nel tempo, anche i campi elettrici e magnetici cambiano;
- un effetto magnetico variabile crea un campo elettrico temporaneo (e circolante) e può indurre in un conduttore una corrente elettrica variabile (spesso alternata).
Le equazioni di Maxwell riassumono questi risultati e mostrano anche che:
- un effetto elettrico variabile nel tempo contribuisce al campo magnetico.
Onde elettromagnetiche
Una conseguenza delle leggi di Maxwell è che, quando le cariche elettriche vengono fatte muovere avanti e indietro, i campi elettrici e magnetici variabili prodotti possono lasciare la sorgente e viaggiare nello spazio insieme come onde elettromagnetiche, come la luce o le onde radio.
Le cariche statiche e le correnti costanti creano invece campi che rimangono fermi nello spazio e non viaggiano come onde.
Conclusioni
Le equazioni di Maxwell spiegano come cariche elettriche che vibrano creino un disturbo nel campo elettrico e come, insieme a questa variazione, si generi anche un campo magnetico variabile nel tempo.
Il risultato di questa interazione accoppiata è il campo elettromagnetico.
La teoria di Maxwell prevede che il campo elettromagnetico possa lasciare la sorgente e viaggiare nello spazio come radiazione elettromagnetica (vedi post Onde), un’onda trasversale che può propagarsi nel vuoto alla velocità della luce.
L’esperimento di Hertz e la scoperta delle onde radio
Nel 1887 Heinrich Rudolf Hertz mise a punto un dispositivo sperimentale per verificare l’ipotesi di Maxwell.
In particolare Hertz creò un oscillatore costituito da pomelli di ottone lucidato connessi a una bobina di induzione e separati da una piccola apertura.
Quando la bobina di induzione veniva messa in funzione tra i due pomelli si sviluppavano delle scintille che oscillavano avanti e indietro tra i terminali del circuito.
Se la teoria di Maxwell era corretta, queste variazioni del campo elettro-magnetico (le scintille) avrebbero dovuto propagarsi nello spazio come onde elettromagentiche.
Hertz mise così a punto un ricevitore formato semplicemente da un anello di materiale conduttore; le estremità dell’anello erano separate da una piccola apertura e il ricevitore si trovava a diversi metri di distanza dall’oscillatore.
Il ragionamento di Hertz era pressapoco il segeuente: se le cariche elettriche in vibrazione (le scintille) si fossero propagate come onde elettromagnetiche, queste avrebbero dovuto raggiungere il ricevitore e avrebbero potuto indurre una differenza di potenziale ai capi dell’anello ricevitore generando delle scintille tra le estremità dell’anello.
Il ragionamento di Hertz si dimostrò corretto: le scintille (originali) che si originavano al trasmettitore viaggiavano in aria fino al ricevitore e lì si manifestavano nuovamente come scintille (secondarie) ai capi dell’anello.
Hertz aveva appena creato la prima trasmissione senza fili.
