UNITÀ 10 - Il magnetismo

Come agisce la forza magnetica?

Se avvicini una calamita a barra a della limatura di ferro ( 1 ), vedrai che questa viene attratta in massima parte dalle due estremità della calamita ( 2 ). La forza attrattiva di qualunque calamita non è uniforme: è massima alle estremità (poli) e decresce verso la zona centrale dove si annulla (zona neutra).

Esistono quindi due tipi di carica magnetica che però, a differenza di quelle elettriche, coesistono nella stessa calamita. Ogni calamita presenta cariche diverse alle sue estremità: un’estremità viene detta polo Nord (N) e l’altra polo Sud (S). Spezzando a metà una calamita si ottengono due magneti più piccoli, spezzando ogni pezzo in parti sempre più piccole si ottengono ancora magneti; ogni frammento, per quanto piccolo, conserva le proprietà magnetiche: è perciò impossibile separare i poli di una calamita. Come avviene per le cariche elettriche, cariche dello stesso tipo si respingono e cariche di tipo diverso si attraggono.

È possibile visualizzare il campo magnetico generato da una calamita appoggiando la calamita su un cartoncino e spargendo in modo uniforme della limatura di ferro ( 5 ).

La limatura di ferro si dispone come nella fotografia: si formano delle linee curve che evidenziano l’azione della forza magnetica; queste linee sono dirette dal polo Nord al polo Sud esternamente al magnete e dal polo Sud al polo Nord internamente al magnete. Se ripeti la prova con due calamite e accosti prima due poli uguali ( 6 ) e poi due poli opposti ( 7 ), le linee curve si dispongono in modo da mettere in evidenza le forze repulsive e quelle attrattive. Il campo magnetico è costituito dunque da linee che in condizioni normali sono invisibili, le linee di forza. La visualizzazione del campo magnetico prende il nome di spettro magnetico.

Se possiedi una bussola, ti sarà facile verificare che l’ago magnetico si dispone sempre in direzione Nord-Sud. Ciò accade perché la Terra è un enorme magnete naturale che genera un campo magnetico molto potente, capace di far sentire la propria azione su tutti i magneti che si trovano nelle vicinanze. 

Come tutte le calamite, la Terra possiede due poli magnetici: il polo Nord magnetico e il polo Sud magnetico, che sono vicini ai poli geografici ma non coincidono con essi. Attualmente il polo Nord magnetico dista circa 1700 km da quello geografico. Osserva le illustrazioni: l’ago della bussola forma con la direzione Nord- Sud geografica un angolo d ∧ che è detto declinazione magnetica.

Per orientarsi correttamente durante i viaggi nautici o aerei, dove è importante sapere con esattezza dov’è il Nord geografico, occorre consultare particolari carte su cui è segnata la declinazione magnetica del luogo. Tali carte vengono periodicamente aggiornate perché i poli magnetici della Terra non sono fissi. Attraverso lo studio delle rocce formatesi milioni di anni fa, che hanno conservato nel tempo l’orientamento magnetico dei loro minerali di ferro, si è potuto stabilire che i poli magnetici hanno cambiato più volte la loro posizione e sono addirittura arrivati a scambiarsi di posto. Il magnetismo terrestre è responsabile di fenomeni particolari come le tempeste magnetiche e le aurore polari. Le tempeste magnetiche, che causano disturbi nelle comunicazioni radio, sono delle violente fluttuazioni dell’intensità del campo magnetico terrestre, provocate dal vento solare, ossia delle particelle elettriche espulse dal Sole che periodicamente arrivano sulla Terra. Gli stessi flussi di particelle sono responsabili delle aurore polari, luci e bagliori multicolori che illuminano il cielo nelle regioni prossime al polo Nord (aurore boreali) e al polo Sud (aurore australi). L’origine di alcuni fenomeni legati al magnetismo terrestre resta ancora poco chiara. Secondo alcuni sarebbero dovuti alla presenza di grandi quantità di nichel e ferro nel nucleo terrestre, secondo altri alle correnti elettriche che si formerebbero al confine tra nucleo interno, solido, e nucleo esterno, fluido.

In ogni caso il magnetismo terrestre si estende per decine di migliaia di kilometri nello spazio formando la magnetosfera, un “involucro” che devia i raggi cosmici che arrivano sulla Terra.

Migliaia di anni fa gli uomini vennero a conoscenza di un minerale capace di attrarre piccoli pezzi di ferro e lo chiamarono magnetite, dal nome della città di Magnesia in Asia Minore, dove si trovava in grande quantità. Duemila anni fa i cinesi furono i primi a notare che un pezzo di magnetite appeso a un filo, e perciò libero di muoversi, si disponeva in direzione Nord-Sud e attribuirono il fenomeno a due montagne situate in luoghi opposti della Terra, capaci di attrarre la magnetite sempre nella stessa direzione. Questa osservazione permise la costruzione della bussola, uno strumento che divenne ben presto indispensabile nei viaggi per mare e per terra. Quando, alcuni secoli dopo, la bussola giunse in occidente, gli studiosi cominciarono a interessarsi ai fenomeni magnetici che fino ad allora avevano osservato con curiosità, senza mai approfondirne lo studio. Nel XVII secolo William Gilbert intuì che l’ago magnetico della bussola era “costretto” a orientarsi in direzione Nord-Sud dalle forze attrattive della Terra, che si comportava come un’enorme calamita. Per dimostrare sperimentalmente la sua ipotesi, Gilbert ricavò da un unico blocco di magnetite una sfera che chiamò Terrella e la fece ruotare sotto un ago magnetico sospeso a un filo. Poté così notare che la punta e la cruna dell’ago venivano attirate da due diversi punti della sfera; vi era perciò una analogia fra il comportamento di Terrella e quello della Terra: entrambe influenzavano un ago magnetico orientandolo nella medesima direzione. Confortato da questa scoperta, Gilbert proseguì nei suoi studi arrivando a dimostrare che tutte le calamite possedevano due poli opposti: chiamò polo Nord quello che si dirigeva verso il Nord geografico, polo Sud l’altro, e verificò che, in due calamite, poli opposti si attraggono e poli uguali si respingono. Attualmente la classica bussola è formata da un piano orizzontale al centro del quale è inserito, su un perno, un ago magnetico. Sul piano, attorno al perno, è disegnata una scala graduata da 0° a 360°. A 0° corrisponde il Nord, a 90° corrisponde l’Est, a 180° il Sud e a 270° l’Ovest. Se ci pensi bene, però, ti rendi conto che chi ha dato il nome ai poli dell’ago magnetico ha commesso un errore. Sai infatti che poli opposti si attraggono e poli uguali si respingono. Sarebbe quindi corretto chiamare “polo Sud” l’estremità dell’ago della bussola rivolto verso il Nord e “polo Nord” l’estremità rivolta verso Sud. Correggere questo errore potrebbe oggi creare confusione, pertanto i poli magnetici della Terra conservano il loro nome con riferimento al polo Nord e al polo Sud geografico.