Il magnetismo è un aspetto della forza elettromagnetica combinata. Si riferisce ai fenomeni fisici derivanti dalla forza causata dai magneti, oggetti che producono campi che attraggono o respingono altri oggetti.

Un campo magnetico esercita una forza sulle particelle nel campo a causa della forza di Lorentz, secondo il sito Web HyperPhysics della Georgia State University. Il movimento delle particelle cariche elettricamente dà origine al magnetismo., La forza che agisce su una particella carica elettricamente in un campo magnetico dipende dalla grandezza della carica, dalla velocità della particella e dalla forza del campo magnetico.

Tutti i materiali sperimentano il magnetismo, alcuni più fortemente di altri. I magneti permanenti, realizzati con materiali come il ferro, sperimentano gli effetti più forti, noti come ferromagnetismo. Con rare eccezioni, questa è l’unica forma di magnetismo abbastanza forte da essere sentita dalle persone.

Gli opposti si attraggono

I campi magnetici sono generati ruotando le cariche elettriche, secondo l’iperfisica., Gli elettroni hanno tutti una proprietà del momento angolare, o spin. La maggior parte degli elettroni tendono a formare coppie in cui uno di loro è “spin up” e l’altro è “spin down”, in conformità con il principio di esclusione di Pauli, che afferma che due elettroni non possono occupare lo stesso stato energetico allo stesso tempo. In questo caso, i loro campi magnetici sono in direzioni opposte, quindi si annullano a vicenda. Tuttavia, alcuni atomi contengono uno o più elettroni spaiati il cui spin può produrre un campo magnetico direzionale., La direzione del loro spin determina la direzione del campo magnetico, secondo il Centro risorse di test non distruttivi (NDT). Quando una maggioranza significativa di elettroni spaiati sono allineati con i loro giri nella stessa direzione, si combinano per produrre un campo magnetico che è abbastanza forte da essere sentito su una scala macroscopica.

Le sorgenti di campo magnetico sono dipolari, con un polo magnetico nord e sud. I poli opposti (N e S) si attraggono, e come i poli (N e N, o S e S) respingono, secondo Joseph Becker della San Jose State University., Questo crea un campo toroidale o a forma di ciambella, mentre la direzione del campo si propaga verso l’esterno dal polo nord ed entra attraverso il polo sud.

La Terra stessa è un magnete gigante. Il pianeta ottiene il suo campo magnetico dalle correnti elettriche circolanti all’interno del nucleo metallico fuso, secondo l’iperfisica. Una bussola punta a nord perché il piccolo ago magnetico in esso è sospeso in modo che possa ruotare liberamente all’interno del suo involucro per allinearsi con il campo magnetico del pianeta., Paradossalmente, quello che chiamiamo Polo Nord Magnetico è in realtà un polo magnetico sud perché attrae i poli magnetici nord degli aghi della bussola.

Ferromagnetismo

Se l’allineamento di elettroni spaiati persiste senza l’applicazione di un campo magnetico esterno o corrente elettrica, produce un magnete permanente. I magneti permanenti sono il risultato del ferromagnetismo. Il prefisso “ferro” si riferisce al ferro perché il magnetismo permanente è stato osservato per la prima volta in una forma di minerale di ferro naturale chiamato magnetite, Fe3O4., Pezzi di magnetite possono essere trovati sparsi su o vicino alla superficie della terra, e occasionalmente, uno sarà magnetizzato. Questi magneti naturali sono chiamati lodestones. “Non siamo ancora certi della loro origine, ma la maggior parte degli scienziati ritiene che la calamita sia magnetite che è stata colpita da un fulmine”, secondo l’Università dell’Arizona.

Le persone impararono presto che potevano magnetizzare un ago di ferro accarezzandolo con una calamita, facendo sì che la maggior parte degli elettroni spaiati nell’ago si allineassero in una direzione. Secondo la NASA, intorno a. D., 1000, i cinesi hanno scoperto che un magnete galleggiante in una ciotola di acqua sempre allineati in direzione nord-sud. La bussola magnetica divenne così un enorme aiuto alla navigazione, in particolare durante il giorno e di notte quando le stelle erano nascoste dalle nuvole.

Altri metalli oltre al ferro sono stati trovati per avere proprietà ferromagnetiche. Questi includono nichel, cobalto e alcuni metalli delle terre rare come il samario o il neodimio che vengono utilizzati per produrre magneti permanenti super-forti.,

Altre forme di magnetismo

Il magnetismo assume molte altre forme, ma ad eccezione del ferromagnetismo, di solito sono troppo deboli per essere osservati tranne che da strumenti di laboratorio sensibili o a temperature molto basse. Il diamagnetismo fu scoperto per la prima volta nel 1778 da Anton Brugnams, che stava usando magneti permanenti nella sua ricerca di materiali contenenti ferro., Secondo Gerald Küstler, un ricercatore e inventore tedesco indipendente ampiamente pubblicato, nel suo articolo, “Levitazione diamagnetica — Pietre miliari storiche”, pubblicato nel Romanian Journal of Technical Sciences, Brugnams osservò: “Solo il bismuto scuro e quasi di colore viola mostrava un fenomeno particolare nello studio; poiché quando ne posai un pezzo su un foglio rotondo di carta che galleggiava sull’acqua, fu respinto da entrambi i poli del magnete.,”

Il bismuto è stato determinato ad avere il più forte diamagnetismo di tutti gli elementi, ma come Michael Faraday scoprì nel 1845, è una proprietà di tutta la materia essere respinta da un campo magnetico.

Il diamagnetismo è causato dal movimento orbitale degli elettroni che creano piccoli loop di corrente, che producono campi magnetici deboli, secondo l’iperfisica. Quando un campo magnetico esterno viene applicato a un materiale, questi anelli di corrente tendono ad allinearsi in modo tale da opporsi al campo applicato., Ciò fa sì che tutti i materiali siano respinti da un magnete permanente; tuttavia, la forza risultante è solitamente troppo debole per essere visibile. Ci sono, tuttavia, alcune eccezioni notevoli.

Il carbonio pirolitico, una sostanza simile alla grafite, mostra un diamagnetismo ancora più forte del bismuto, anche se solo lungo un asse, e può effettivamente essere levitato sopra un magnete super-forte delle terre rare. Alcuni materiali superconduttori mostrano un diamagnetismo ancora più forte al di sotto della loro temperatura critica e quindi i magneti di terre rare possono essere levitati sopra di loro., (In teoria, a causa della loro reciproca repulsione, uno può essere levitato sopra l’altro.)

Il paramagnetismo si verifica quando un materiale diventa temporaneamente magnetico quando viene posto in un campo magnetico e ritorna al suo stato non magnetico non appena il campo esterno viene rimosso. Quando viene applicato un campo magnetico, alcuni degli spin di elettroni spaiati si allineano con il campo e sopraffanno la forza opposta prodotta dal diamagnetismo. Tuttavia, l’effetto è evidente solo a temperature molto basse, secondo Daniel Marsh, professore di fisica presso la Missouri Southern State University.,

Altre forme, più complesse, includono l’antiferromagnetismo, in cui i campi magnetici di atomi o molecole si allineano l’uno accanto all’altro; e il comportamento del vetro spin, che coinvolge sia interazioni ferromagnetiche che antiferromagnetiche. Inoltre, il ferrimagnetismo può essere pensato come una combinazione di ferromagnetismo e antiferromagnetismo a causa di molte somiglianze condivise tra loro, ma ha ancora la sua unicità, secondo l’Università della California, Davis.

Elettromagnetismo

Quando un filo viene spostato in un campo magnetico, il campo induce una corrente nel filo., Al contrario, un campo magnetico è prodotto da una carica elettrica in movimento. Questo è in accordo con la Legge di induzione di Faraday, che è la base per elettromagneti, motori elettrici e generatori. Una carica che si muove in linea retta, come attraverso un filo dritto, genera un campo magnetico che spirala attorno al filo. Quando quel filo è formato in un ciclo, il campo diventa una forma di ciambella, o un toro. Secondo the Magnetic Recording Handbook (Springer, 1998) di Marvin Cameras, questo campo magnetico può essere notevolmente migliorato posizionando un nucleo metallico ferromagnetico all’interno della bobina.,

In alcune applicazioni, la corrente continua viene utilizzata per produrre un campo costante in una direzione che può essere acceso e spento con la corrente. Questo campo può quindi deviare una leva di ferro mobile causando un clic udibile. Questa è la base per il telegrafo, inventato nel 1830 da Samuel F. B. Morse, che consentiva la comunicazione a lunga distanza su fili usando un codice binario basato su impulsi di lunga e breve durata. Gli impulsi venivano inviati da operatori esperti che attivavano e spegnevano rapidamente la corrente utilizzando un interruttore a contatto momentaneo a molla o una chiave., Un altro operatore sul lato ricevente sarebbe poi tradurre i clic udibili di nuovo in lettere e parole.

Una bobina attorno a un magnete può anche essere fatta per muoversi in un modello di frequenza e ampiezza variabili per indurre una corrente in una bobina. Questa è la base per un certo numero di dispositivi, in particolare il microfono. Il suono fa sì che un diaframma si muova in un out con le onde di pressione variabili. Se il diaframma è collegato a una bobina magnetica mobile attorno a un nucleo magnetico, produrrà una corrente variabile analoga alle onde sonore incidenti., Questo segnale elettrico può quindi essere amplificato, registrato o trasmesso a piacere. Piccoli magneti di terre rare super-forti vengono ora utilizzati per realizzare microfoni miniaturizzati per telefoni cellulari, ha detto Marsh a Live Science.

Quando questo segnale elettrico modulato viene applicato a una bobina, produce un campo magnetico oscillante, che fa sì che la bobina si muova dentro e fuori su un nucleo magnetico nello stesso schema. La bobina viene quindi collegata a un cono altoparlante mobile in modo che possa riprodurre le onde sonore udibili nell’aria., La prima applicazione pratica per il microfono e l’altoparlante fu il telefono, brevettato da Alexander Graham Bell nel 1876. Sebbene questa tecnologia sia stata migliorata e perfezionata, è ancora la base per la registrazione e la riproduzione del suono.

Le applicazioni degli elettromagneti sono quasi innumerevoli. La legge di induzione di Faraday costituisce la base per molti aspetti della nostra società moderna, inclusi non solo motori e generatori elettrici, ma elettromagneti di tutte le dimensioni., Lo stesso principio utilizzato da una gru gigante per sollevare auto spazzatura in un cantiere di rottami viene utilizzato anche per allineare le particelle magnetiche microscopiche su un disco rigido del computer per memorizzare i dati binari, e nuove applicazioni sono in fase di sviluppo ogni giorno.

La scrittrice dello staff Tanya Lewis ha contribuito a questo rapporto.

Risorse aggiuntive

• Il National High Magnetic Field Laboratory è il più grande e più potente laboratorio di magneti al mondo. I ricercatori utilizzano gratuitamente le strutture per studiare materiali, energia e vita.,
• Internet Plasma Physics Education Experience & ha un modulo interattivo sui concetti di base coinvolti con l’elettricità e il magnetismo.
• Il Goddard Space Flight Center della NASA presenta queste lezioni sulla “Storia antica dell’elettricità e del magnetismo” e “L’esplorazione della magnetosfera terrestre.”