Magnetismo: definizione, tipi, proprietà e come funzionano (con esempi)

Magneti. Li hai sul tuo frigorifero, ci hai giocato da bambino, hai persino tenuto una bussola in mano mentre l'ago della bussola indicava il polo nord magnetico terrestre. Ma come lavorano? Cos'è questo fenomeno del magnetismo?

Il magnetismo è un aspetto della forza elettromagnetica fondamentale. Descrive fenomeni e forze associate a magneti o oggetti magnetici.

Tutti i campi magnetici sono generati spostando la carica o cambiando i campi elettrici. Questo è il motivo per cui i fenomeni di elettricità e magnetismo sono indicati collettivamente come elettromagnetismo. Sono davvero la stessa cosa!

All'interno di tutti i materiali, gli atomi contengono elettroni e quegli elettroni formano una nuvola attorno al nucleo atomico, con il loro movimento complessivo che crea un dipolo magnetico in miniatura. Nella maggior parte dei materiali, tuttavia, la distribuzione casuale degli orientamenti di questi mini-magneti fa sì che i campi si annullino. Fanno eccezione i materiali ferromagnetici.

Molti materiali mostrano fenomeni magnetici, tra cui ferro, manganese, magnetite e cobalto. Questi possono esistere come magneti permanenti o possono essere paramagnetici (cioè attratti da materiali magnetici ma non trattenendo il magnetismo permanente stessi). Gli elettromagneti vengono creati facendo passare corrente elettrica attraverso un filo avvolto attorno a un materiale come il ferro (o da qualsiasi situazione in cui vi sia una carica elettrica in movimento).

I materiali magnetici possono attrarsi o respingersi a vicenda, a seconda di quali parti di quei materiali vengono riunite.

Proprio come con la forza elettrica e la forza gravitazionale, gli oggetti che esercitano forze magnetiche l'uno sull'altro generano un campo intorno a loro. Un magnete a barra, ad esempio, crea un campo magnetico nello spazio circostante, facendo sì che qualsiasi altro magnete o materiale ferromagnetico portato in quel campo senta una forza come risultato.

Un modo per visualizzare il campo magnetico è usare la limatura di ferro. La limatura di ferro sono piccoli pezzi di ferro che, spruzzati attorno a un magnete, si allineeranno alle linee del campo magnetico esterno, permettendoti di visualizzarli.

L'unità SI associata all'intensità del campo magnetico è il tesla.

Un'altra unità comune associata all'intensità del campo magnetico è il gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Esistono diversi tipi di magnetismo:

​Paramagnetismodescrive alcuni materiali che possono essere debolmente attratti dai magneti ma che non mantengono essi stessi un campo magnetico permanente. In presenza di un campo esterno, formeranno campi magnetici interni indotti che si allineano. Ciò può comportare un'amplificazione temporanea del campo magnetico complessivo. Esistono molti tipi diversi di materiali paramagnetici, incluse anche alcune pietre preziose.

​diamagnetismoè una proprietà esibita da tutti i materiali, ma che è tipicamente più evidente nei materiali che consideriamo non magnetici. I materiali diamagnetici sono molto debolmente respinti dai campi magnetici. Nei magneti permanenti e nei materiali paramagnetici, gli effetti del diamagnetismo sono trascurabili.

​Elettromagnetismosi verifica quando la corrente elettrica passa attraverso un filo. Quel filo può essere avvolto attorno a una barra di ferro per amplificare l'effetto poiché il ferro creerà il proprio campo magnetico che si allinea con il campo esterno. Questa forma di magnetismo è un risultato diretto del fatto che il movimento degli elettroni crea un campo magnetico. (Ancora una volta, elettricità e magnetismo sono due facce della stessa proprietà fisica fondamentale!)

​Ferromagnetismodescrive come determinati materiali, chiamati materiali ferromagnetici, formano magneti permanenti, che verranno discussi in maggior dettaglio nella sezione successiva.

I materiali che sono fortemente attratti dai magneti sono chiamati ferromagnetici. Il ferro è il materiale più comune di questo tipo. (Non sorprende visto che il prefisso latinoferro- significa "ferro.")

I materiali ferromagnetici hanno i cosiddetti domini magnetici; cioè, regioni al loro interno che sono come magneti, ma orientate in direzioni diverse in modo che l'effetto complessivo si annulli e generalmente non agiscano come magneti. Se, tuttavia, questi materiali vengono posti in un campo magnetico, ciò può causare un allineamento dei domini così che sono tutti allineati nella stessa direzione, e quindi diventano (spesso temporaneamente) come dei magneti loro stessi.

I materiali ferromagnetici includono magnetite, ferro, nichel, cobalto e vari materiali di terre rare tra cui il neodimio.

Un magnete a barra è una barra rettangolare o cilindrica di materiale magnetico. Le estremità di un magnete a barra sono i poli nord e sud. Questi sono i due tipi di poli magnetici e interagiscono tra loro tramite una forza magnetica in modo simile a come interagiscono le cariche positive e negative tramite la forza elettrica.

I magneti a barra sono dipoli magnetici. Hanno poli opposti separati da una distanza, simile a un dipolo elettrico. Una differenza principale, tuttavia, è che con i magneti non puoi avere un monopolo (un polo isolato) come puoi avere con le cariche. Un magnete esiste sempre come dipolo e mai come polo nord da solo o come polo sud da solo. (Se tagli a metà una barra magnetica per cercare di separare i poli, ti ritroverai semplicemente con due magneti dipolari più piccoli!)

Come probabilmente saprai, la Terra ha un campo magnetico. Ciò consente alle persone di utilizzare le bussole per determinare in quale direzione sono rivolti rispetto ai poli. Una bussola magnetica è costituita da un piccolo magnete che può muoversi liberamente e allinearsi con qualsiasi campo esterno. L'estremità rossa dell'ago della bussola punta a nord. Il campo magnetico terrestre si comporta come un gigantesco magnete a barra. Questo immaginario magnete a barra è orientato in modo che l'estremità nord del magnete sia al polo sud della Terra e l'estremità sud del magnete sia al polo nord della Terra.

Anche il campo magnetico terrestre non è parallelo alla superficie terrestre nella maggior parte dei luoghi. Puoi determinare la declinazione del campo magnetico terrestre usando un ago a immersione. Per prima cosa orienta l'ago orizzontalmente e allinealo con il nord magnetico terrestre. Quindi ruotalo verticalmente e osserva l'angolo di inclinazione. L'angolo è tanto maggiore quanto più ci si avvicina ai poli.

Il campo magnetico terrestre crea una regione di spazio che circonda il pianeta chiamata magnetosfera. La magnetosfera assomiglia essenzialmente al campo magnetico di un magnete a barra molto grande allineato vicino all'asse terrestre, sebbene la magnetosfera possa deformarsi mentre interagisce con le particelle cariche.

La magnetosfera ci protegge dal vento solare, che contiene particelle cariche. Le interazioni tra queste particelle e le linee del campo magnetico sono ciò che dà origine alle aurore.

Il fenomeno del magnetismo è utilizzato in tutti i tipi di applicazioni quotidiane.

Il fenomeno dell'elettromagnetismo permette di convertire l'energia meccanica in energia elettrica nei generatori elettrici. I generatori elettrici utilizzano mezzi meccanici per azionare una turbina (vento che soffia o acqua corrente) che modifica un campo magnetico relativo alle bobine di filo, inducendo il flusso di corrente.

I motori elettrici sono essenzialmente l'opposto dei generatori elettrici, che utilizzano l'elettromagnetismo per convertire energia elettrica in energia meccanica, che si tratti di far funzionare un trapano elettrico, un miscelatore o un elettrico veicolo.

Gli elettromagneti industriali sono magneti giganti con campi magnetici molto forti che consentono loro di raccogliere vecchi veicoli presso la discarica.

Le macchine per la risonanza magnetica utilizzano forti campi magnetici per creare immagini dei tuoi interni e consentire ai medici di diagnosticare tutta una serie di condizioni mediche.