PRESENTAZIONE
Il magnetismo è un
effetto che accompagna permanentemente la corrente elettrica, ed ha un ruolo
importante in quasi tutti gli apparecchi e le macchine elettriche.
Lo
spazio in cui agiscono le forze magnetiche viene chiamato campo magnetico. Un
campo magnetico si stabilisce fra gli estremi di un magnete a barra o fra le
braccia di un magnete a ferro di cavallo. Se si sovrappone ad un magnete un
telaietto contenente un foglio di carta su cui si spargono dei frammenti di
limatura di ferro e si fa vibrare leggermente il foglio, si vedranno formare
delle linee di limatura che seguiranno le linee di forza del campo magnetico. Si
parla perciò di linee di campo. Si deve quindi immaginare lo spazio
intorno ad un magnete come attraversato da linee di campo. I campi magnetici
esercitano delle forze. Queste forze sono tanto maggiori quanto più le
linee di campo sono contenute nel campo magnetico, cioè quanto più
vicine sono le linee fra di loro. L'intensità di un flusso magnetico
è la misura della forza d'azione del suo campo. Essa viene chiamata anche
induzione magnetica.
Le linee di campo di un conduttore diritto percorso
da corrente (un filo elettrico) sono linee chiuse su loro stesse, cioè
dei cerchi il cui centro comune si trova sul conduttore. Poiché il campo
magnetico si estende nello spazio per tutta la lunghezza del conduttore, si
devono immaginare le linee di campo come dei tubi inseriti l'uno nell'altro.
Regola fondamentale è che attorno a qualsiasi conduttore - anche fluido o
gassoso - percorso da corrente si formino dei campi magnetici. La densità
del flusso magnetico è massima vicino alla superficie esterna del
conduttore e si indebolisce allontanandosi da essa. È indifferente se il
conduttore è ricoperto da materiale isolante, poiché in questi
materiali il campo magnetico si forma pressoché come nell'aria.
Le
proprietà magnetiche dei corpi conduttori attraversati dalla corrente
elettrica furono investigate dal fisico inglese Michael Faraday nel secolo
scorso. Egli scopri anche che quando in una spira di un filo conduttore viene
fatta passare una corrente e poi la si interrompe, attorno alla spira si forma
un campo magnetico variabile, il quale creerà a sua volta un'altra
corrente in una seconda spira disposta nelle vicinanze della prima. La corrente
nella seconda spira sarà tanto maggiore quanto più le spire
saranno vicine, e sarà massima se entrambe risulteranno avvolte attorno
allo stesso nucleo di ferro. I generatori elettrici, che ci forniscono la grande
quantità di energia elettrica di cui abbiamo bisogno oggi, si basano
tutti sulla scoperta di Faraday.
Una dinamo consiste in molte spire avvolte
su un nucleo di ferro che viene fatto ruotare fra i poli di un elettromagnete.
La corrente che si genera nelle spire quando il nucleo ruota viene raccolta
attraverso contatti di carbone amorfo o grafite (spazzole). In una dinamo
semplice, la corrente muta direzione due volte ogni rotazione della spira. Prima
si ha una corrente di segno positivo cui segue, dopo il raggiungimento di un
massimo, una corrente di segno negativo. Si torna poi a zero, dopo di che
ricomincia il ciclo. Si genera in tal modo una corrente alternata, e un
diagramma può illustrare come la corrente varia nel corso del tempo con
forma di un'onda. Per ottenere una corrente continua da un generatore rotante si
richiede un collettore, il quale sia formato da lamelle di rame isolate fra loro
(commutatore).
I generatori non creano elettricità dal nulla: essi
devono essere azionati da una sorgente esterna di energia, come ad esempio una
turbina a vapore. Il vapore viene ottenuto bruciando carbone, olio combustibile
oppure energia nucleare; la turbina fa girare il generatore, il quale converte
così energia meccanica in energia elettrica. In una centrale idroelettrica il
generatore è azionato da una turbina idraulica, la quale a sua volta
è azionata dall'energia caduta da un salto d'acqua.
La teoria
dell'elettromagnetismo classico, portata a compimento da Maxwell, è stata
successivamente rielaborata e unificata da Einstein nel quadro della teoria
della relatività ristretta; in tale contesto i campi elettrico e
magnetico sono unificati concettualmente nel campo elettromagnetico. Fra le
numerose teorie e tesi relative al magnetismo sono particolarmente interessanti
l'ipotesi di Ampère, che riduce i fenomeni di magnetizzazione materiale
(magnetismo naturale, magnetismo indotto, ecc.) a effetti dovuti alla
circolazione, all'interno del corpo magnetizzato, di correnti elettriche su
scala molecolare o atomica (tale ipotesi, basata sull'analogia con i fenomeni
elettromagnetici su scala macroscopica, è stata confermata
successivamente dalle indagini sulla struttura intima della materia, per esempio
dalla scoperta del moto degli elettroni attorno ai nuclei) e l'ipotesi di
Blackett, secondo la quale ogni corpo in rotazione costituisce un magnete con un
valore proporzionale alla quantità di moto (questa ipotesi è stata
verificata dall'osservazione di tre corpi celesti dotati di magnetismo: la
Terra, il Sole e la stella 78 Virginis).
LA CALAMITA
Fin dall'antichità si sapeva che se l'ambra
(in greco élektron) viene strofinata, acquista il potere di attrarre
corpi piccoli e leggeri, quali piume o pezzetti di carta. Questa
proprietà, discretamente diffusa in natura, ha dato origine alle scoperte
sull'elettricità e sul magnetismo.
Oggi si tende a preferire il
termine "magnete" a "calamita".
Esistono magneti
naturali come la magnetite, un composto del ferro, già noto ai Greci che
ne potevano reperire discrete quantità nei pressi della città di
Magnesia, in Asia Minore.
Magneti artificiali temporanei si ottengono
sottoponendo pezzi di ferro dolce all'azione di campi magnetici, generati da
corpi già magnetizzati o da correnti elettriche. Se al posto del ferro si
usa acciaio, la magnetizzazione permane anche una volta rimosso il campo
inducente.
Ogni magnete presenta due poli magnetici, ossia due zone
geometriche opposte nei pressi delle quali gli effetti magnetici sono
particolarmente intensi; se il magnete può orientarsi liberamente nello
spazio, uno dei due poli si volge sempre verso il Polo Nord terrestre, l'altro
verso il Polo Sud: in seguito a tale fenomeno, utilizzato nelle bussole, i poli
di ogni magnete vengono appunto distinti in polo Nord e polo Sud. Le opposte
polarità di un magnete, una complementare all'altra, non sono isolabili
l'una dall'altra: spezzando a metà un magnete si ottengono infatti due
nuovi magneti, ciascuno ancora dotato di una coppia polare Nord-Sud. Tra i corpi
magnetizzati si esercitano forze attrattive o repulsive, secondo il tipo di
polarità: poli omologhi si respingono, poli opposti si attraggono.
L'intensità di tali forze è, indipendentemente dal loro senso,
inversamente proporzionale al quadrato della distanza dei poli magnetici: questa
regola è detta "legge di Coulomb", dal nome del suo
scopritore.
