magnet

Magnet è un oggetto che genera un campo magnetico intorno a sè. Può assumere la forma di un magnete permanente oppure di un elettromagnete. I magneti permanenti non necessitano di alcuna energia esterna per generare un campo magnetico. Si trovano naturalmente in alcuni minerali, ma possono essere anche prodotti. Gli elettromagneti necessitano di energia elettrica per generare un campo magnetico.

Proprietà dei magneti

I magneti vengono attratti o respinti da altri materiali. Un materiale che è fortemente attratto da un magnete ha un'alta permeabilità. Ferro e acciaio sono due esempi di materiali con una permeabilità molto alta e vengono fortemente attratti dai magneti. L'acqua ha una permeabilità così bassa che è facilmente respinta dal campo magnetico.

L'unità SI del campo magnetico, che è erroneamente considerata come "intensità" del campo magnetico, è tesla (simbolo T). Un campo magnetico uniforme con induzione magnetica di 1 T esercita su ogni metro di conduttore rettilineo percorso da una corrente di 1 ampere una forza di 1 newton. L'unità SI dell'intensità del campo magnetico è ampere per metro (A/m). L'unità SI del flusso magnetico è Weber (simbolo Wb). Il flusso magnetico è il prodotto dell'induzione magnetica e dell'area attraversata dal campo; 1 Wb = 1 T·m². Si tratta di un valore molto elevato di flusso magnetico.

Storia

La parola magnet deriva dal greco μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), che significa "pietra di Magnesia". Magnesia era una regione nell' Antico Grecia, l'attuale Manisa in Turchia, dove sono state scoperte riserve di magnetite già nell'antichità. I navigatori cinesi antichi furono tra i primi utilizzatori registrati delle bussole magnetiche.

Nella mitologia dei marinai arabi, la leggenda della montagna magnetica ebbe un ruolo importante. Nel quindicesimo secolo, gli Arabi temevano tanto la montagna magnetica che non usavano oggetti metallici (né chiodi) sui loro natanti.

Origine fisica del magnetismo

Magneti permanenti

La materia è composta da particelle come protoni, neutroni e elettroni e tutte hanno una proprietà fondamentale: spin meccanico quantistico. Lo spin dà a ciascuna di queste particelle un certo campo magnetico. Si potrebbe quindi aspettarsi che tutta la materia sia magnetica, anche l'antimateria abbia proprietà magnetiche. Nonostante questo, non è così.

Nel singolo atomo e molecola, lo spin di queste particelle è rigorosamente organizzato in base al principio di esclusione di Pauli. Questo principio di organizzazione dello spin non si applica però su lunghe distanze tra atomi e molecole. Senza questa organizzazione a lunga distanza, non si genera un campo magnetico globale, perché il momento magnetico di ciascuna particella è annullato dal momento delle altre particelle.

I magneti permanenti sono speciali in quanto in essi l'organizzazione a lunga distanza esiste. Il grado più alto di organizzazione esiste nelle domini magnetici. Questo può essere paragonato a microquartieri, dove c'è una forte interazione tra le particelle e il risultato è un alto livello di organizzazione. Più alta è l'organizzazione all'interno del dominio, più forte è il campo risultante.

L'organizzazione a lunga distanza (e il campo magnetico risultante forte) è il segno distintivo dei materiali ferromagnetici.

Creazione magnetica elettrica

Gli elettroni svolgono un ruolo principale nella creazione del campo magnetico. All'interno di un atomo, gli elettroni possono esistere singolarmente o in coppie su qualsiasi orbita. Se sono accoppiati, gli elettroni di questa coppia hanno spin opposti – uno alto, l'altro basso. Il fatto che gli spin siano opposti significa che si annullano reciprocamente. Se tutti gli elettroni sono accoppiati, non si genera alcun campo magnetico.

In alcuni atomi ci sono elettroni non accoppiati. Tutti i magneti hanno elettroni non accoppiati, ma non tutti gli atomi con elettroni non accoppiati sono ferromagnetici. Perché un materiale sia ferromagnetico, deve contenere elettroni non accoppiati, ma questi devono interagire su lunghe distanze in modo che siano tutti orientati nella stessa direzione. La posizione specifica degli elettroni nell'atomo (e anche la distanza tra gli atomi) è ciò che crea l'organizzazione a lunga distanza. Gli elettroni hanno un'energia più bassa quando sono orientati nello stesso modo.

Elettromagneti

L'elettromagnete nella sua forma più semplice è un filo avvolto in una o più spire. A questa spira si dà il nome di solenoid. Quando la corrente elettrica scorre attraverso la spira, si genera un campo magnetico intorno ad essa. L'orientamento di questo campo può essere determinato seguendo la regola della mano destra. L'intensità del campo è influenzata da diversi fattori. Il numero di spire determina l'ampiezza dell'effetto, la quantità di corrente determina l'attività e il materiale nel nucleo determina la resistenza elettrica. Più spire e più corrente, più forte è il campo magnetico generato.

Se la spira è vuota al centro, genererà solo un campo molto debole. Al centro del solenoide si possono inserire vari materiali ferromagnetici o paramagnetici , che rafforzeranno il loro campo magnetico, ad esempio un chiodo di ferro. Per questo scopo si utilizza comunemente il ferro morbido. L'aggiunta di tali materiali può rafforzare il campo da cento a mille volte.

A grandi distanze, i campi magnetici seguono la legge del quadrato inverso. Questo significa che l'intensità del campo è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal magnete.

Se il magnete è in contatto con una lastra metallica piana, la forza necessaria per separarli deve essere tanto maggiore quanto più stretto è il contatto tra le due superfici. Più lisce sono le superfici, più punti di contatto ci sono tra loro e minore è la resistenza tra il circuito magnetico e il campo magnetico.

Gli elettromagneti vengono utilizzati in molti casi, dai acceleratori di particelle attraverso i gru per rottami fino alle macchine per risonanza magnetica. Esistono anche processi speciali che richiedono più di un semplice magnete bipolare, ad esempio il magnete quadrupolare, che si utilizza per focalizzare i fasci di particelle.

Se attraverso l'elettromagnete scorre abbastanza corrente, la forza magnetica tra le spire adiacenti del solenoide può causare che l'elettromagnete si distrugga per la propria forza magnetica.

Caratteristiche dei magneti

Magneti permanenti e poli[

Tutti i magneti hanno almeno due poli: hanno cioè almeno un polo nord e un polo sud. I poli non sono una coppia di oggetti su o all'interno del magnete. Nell'immagine iniziale dell'articolo, i poli appaiono come due aree specifiche, perché l'intensità superficiale del campo è massima ai poli del magnete, ma non significa che siano aree specifiche.

Per comprendere i poli, si può immaginare una fila di persone che guardano tutte nella stessa direzione e stanno in un piano. Anche se si può individuare l'area dove si trovano tutti i visi e dove si trovano tutti i retro, non esiste un unico punto in cui si trovano tutti. Ogni persona ha un viso su un lato e un retro sull'altro. Quando la fila viene divisa a metà, ciascuna metà avrà comunque un viso e un retro. Anche se dividiamo la fila in singole persone, ciascuna avrà il proprio viso e retro. Così si può procedere all'infinito.

Lo stesso vale per i magneti. Non c'è un posto su un magnete dove si trovano tutti i poli sud o nord. Quando un magnete viene diviso in due, entrambi avranno un polo nord e un polo sud. Questi due magneti più piccoli possono essere ulteriormente divisi e ciascun pezzo avrà nuovamente entrambi i poli. Nella maggior parte dei casi, quando dividiamo il materiale in pezzi sempre più piccoli, prima o poi arriveremo a un punto in cui le singole particelle saranno così piccole che non saranno in grado di mantenere il campo magnetico. Nonostante questo, non diventeranno poli separati, ma perderanno solo la capacità di mantenere il campo magnetico. Alcuni materiali, invece, possono essere divisi fino al livello molecolare e conservare comunque il campo con polo sud e polo nord. Esistono teorie sui poli sud e nord separati – monopoli magnetici, ma un monopolo non è mai stato trovato.

Determinazione del polo nord e campo magnetico terrestre

L'etichettatura standard dei poli del magnete è importante. Già nella storia, i termini nord e sud indicavano la consapevolezza della relazione tra magneti e campo magnetico terrestre. Un magnete sostenuto liberamente si orienta sempre verso nord e sud, perché è attratto verso il polo nord e il polo sud terrestri. L'estremità del magnete che punta verso il polo geografico nord terrestre è chiamata polo nord del magnete, la parte che punta verso sud è chiamata polo sud del magnete.

Il polo geografico nord odierno è in realtà sud magnetico. Per complicare ulteriormente la situazione, le rocce magnetizzate sul fondo oceanico mostrano che il campo magnetico terrestre si è invertito in passato, quindi questa denominazione dei poli probabilmente sarà di nuovo invertita in futuro.

Fortunatamente, utilizzando un elettromagnete e la regola della mano destra, si può determinare l'orientamento del campo magnetico del magnete senza conoscere il campo geomagnetico terrestre.

Per evitare problemi tra poli geografici e magnetici, si usa spesso l'etichettatura positivo e negativo per i poli dei magneti. Il positivo è quello che punta verso nord.