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Introduzione

Magnetismo Classe di fenomeni generati da cariche elettriche in movimento. Mentre una carica ferma genera intorno a sé un campo puramente elettrico, una carica in movimento produce un campo elettrico e un campo magnetico o, più precisamente, un campo elettromagnetico. Anche il comportamento magnetico delle calamite, noto fin dall’antichità, è spiegabile in base alla definizione data; lo si può ricondurre infatti alla particolare configurazione delle orbite elettroniche degli atomi di cui sono costituite, a patto di riconoscere che ogni elettrone orbitante intorno al nucleo di un atomo si comporta esattamente come una microscopica corrente elettrica.

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Polarità magnetiche

Come è noto, i corpi magnetici – calamite e correnti elettriche – presentano polarità opposte, dette rispettivamente polo nord e polo sud. Quando si avvicinano due polarità di segno opposto si sviluppa tra di esse una forza attrattiva, mentre quando si avvicinano due polarità concordi si sviluppa una forza repulsiva. A differenza di quanto avviene per le sorgenti del campo elettrico – le cariche elettriche positive e negative – che possono esistere indipendentemente l’una dall’altra, le polarità magnetiche di una calamita o di un circuito percorso da corrente non si possono isolare in alcun modo; in sintesi, non esiste il monopolo magnetico. È questa una delle proprietà fondamentali del campo magnetico, che ha numerose implicazioni teoriche e fenomenologiche.

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Cenni storici

Le proprietà magnetiche del ferro e degli altri materiali oggi definiti “ferromagnetici” erano già note agli antichi greci, ai romani e ai cinesi. Presso questi popoli era stato osservato che un oggetto di ferro messo a contatto con frammenti di magnetite si magnetizza, ovvero diventa esso stesso un magnete naturale, caratterizzato da due polarità opposte.

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Primi studi

L'uso della bussola per la navigazione in Occidente e le prime ricerche sul comportamento dell'ago magnetico risalgono al XIII secolo, ma il primo studio sistematico dei fenomeni magnetici si trova nell'opera De magnete pubblicata nel 1600 dal fisico William Gilbert. Lo scienziato, utilizzando un ago magnetico e una calamita di forma sferica, osservò che la Terra si comporta come un'enorme calamita e, attraverso una serie di esperimenti, riuscì a sconfessare numerose nozioni scorrette sul magnetismo fino ad allora comunemente accettate.

Nel 1750, il geologo John Michell inventò uno strumento con cui mostrò che l'intensità della forza attrattiva o repulsiva tra due poli magnetici è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Successivamente Charles-Augustin de Coulomb, a cui si deve la descrizione completa della forza tra cariche elettriche (forza di Coulomb), verificò e sviluppò le osservazioni di Michell con grande precisione.

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Le teorie dell’elettricità e del magnetismo

A partire dalla fine del XVIII secolo le teorie dell'elettricità e del magnetismo furono sviluppate contemporaneamente. Nel 1819 il fisico danese Hans Christian Ørsted osservò che un filo conduttore percorso da corrente elettrica esercita una forza su un ago magnetico posto nelle vicinanze. A questa scoperta, che portò un'ulteriore prova della relazione tra elettricità e magnetismo, fecero seguito gli studi di André-Marie Ampère sulle forze agenti tra fili percorsi da corrente, e di Dominique-François-Jean Arago, che magnetizzò un pezzo di ferro semplicemente ponendolo nelle vicinanze di un filo percorso da corrente elettrica. Nel 1831 il britannico Michael Faraday scoprì che una variazione del flusso del campo magnetico attraverso un conduttore può indurre una corrente elettrica al suo interno: l'effetto contrario fu poi osservato da Ørsted, il quale, sulla base dei suoi precedenti esperimenti, concluse che una corrente elettrica che circola in un filo conduttore genera a sua volta un campo magnetico.

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La teoria dell’elettromagnetismo

A James Clerk Maxwell si deve la formulazione organica dell'elettromagnetismo, sintetizzata nelle celebri quattro equazioni che descrivono in modo correlato fenomeni elettrici e magnetici. Egli predisse inoltre l'esistenza delle onde elettromagnetiche e riconobbe la natura elettromagnetica della luce.

Gli studi successivi furono volti a individuare le origini atomiche e molecolari delle proprietà magnetiche della materia. Nel 1905 Paul Langevin diffuse una teoria che giustificava la dipendenza delle proprietà magnetiche di alcune sostanze dalla temperatura. Questa teoria fu uno dei primi esempi di descrizione di fenomeni macroscopici in termini di proprietà atomiche, e quindi microscopiche. In seguito, gli studi di Langevin furono ampliati dal fisico francese Pierre-Ernst Weiss, a cui si deve la teoria del ferromagnetismo e, in particolare, il modello dei domini ferromagnetici (detti anche domini di Weiss).

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Gli sviluppi del XX secolo

Dopo la pubblicazione della teoria di Weiss, iniziarono numerosi e dettagliati studi sulle proprietà magnetiche della materia. Con il modello atomico di Niels Bohr si comprese l'origine delle spiccate proprietà magnetiche degli elementi di transizione, come il ferro e gli elementi delle terre rare. I fisici Samuel Abraham Goudsmit e George Eugene Uhlenbeck dimostrarono nel 1925 che l'elettrone è dotato di spin, e che il suo comportamento è riconducibile a quello di una barretta magnetica con momento magnetico definito. Nel 1927 il fisico tedesco Werner Heisenberg fornì una dettagliata spiegazione per la teoria del campo molecolare di Weiss, sulla base dei principi della meccanica quantistica appena sviluppata.

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Proprietà magnetiche dei materiali

Sulla base delle proprietà magnetiche, i materiali vengono classificati in tre categorie: diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. I primi, in presenza di un campo magnetico esterno, manifestano una debole magnetizzazione diretta in senso opposto rispetto al campo inducente; i secondi manifestano una debole magnetizzazione concorde al verso del campo indicente; gli ultimi, quelli ferromagnetici, reagiscono invece con un’intensa magnetizzazione di segno concorde al campo inducente, magnetizzazione che conservano anche dopo l’allontanamento dalla sorgente del campo.

In seguito al riconoscimento dell’origine atomica delle proprietà magnetiche, sono state individuate nuove famiglie di materiali, caratterizzate da proprietà magnetiche meno evidenti e di natura più complessa di quelle già note. Ad esempio, si conoscono oggi sostanze per le quali risulta energeticamente favorevole che i momenti magnetici di atomi adiacenti siano allineati in modo antiparallelo: sono le cosiddette sostanze antiferromagnetiche. L’intensità di magnetizzazione che ne risulta è molto debole e, in ogni caso, esiste una temperatura critica, analoga alla temperatura di Curie delle sostanze ferromagnetiche, al di sopra della quale le proprietà antiferromagnetiche scompaiono per lasciare spazio a quelle paramagnetiche.

Nelle sostanze cosiddette ferrimagnetiche, invece, esistono a livello atomico due tipi diversi di momento magnetico, orientati in senso opposto e di differente intensità. La combinazione dei due, quindi, non produce un momento magnetico netto nullo, bensì diverso da zero, che conferisce al materiale proprietà macroscopiche intermedie tra quelle delle sostanze antiferromagnetiche e quelle delle sostanze ferromagnetiche. Un esempio di questo tipo di materiali è la magnetite; essa contiene infatti due tipi diversi di ione ferro, ciascuno caratterizzato da un momento magnetico differente.

Sia le sostanze ferromagnetiche che quelle ferrimagnetiche presentano un comportamento caratteristico detto isteresi: quelle che manifestano un’isteresi poco accentuata sono dette “dolci”; quelle che presentano un’isteresi più marcata sono dette “dure”.

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Applicazioni

Innumerevoli sono le applicazioni tecnologiche dei fenomeni magnetici. L'elettrocalamita, ad esempio, costituisce la base del motore elettrico e del trasformatore. Di fondamentale importanza sono poi le applicazioni nel campo dell’informatica e dell’elettronica, come i sistemi di memorizzazione dei dati su nastri e dischi.

Nel campo dei trasporti, i treni a levitazione magnetica sfruttano le proprietà magnetiche per scorrere sulle rotaie senza attrito. In campo medico, si applica comunemente un metodo diagnostico basato sulla risonanza magnetica nucleare. Infine, nel campo della ricerca, negli attuali acceleratori di particelle si usano giganteschi magneti superconduttori per mantenere i fasci ben focalizzati e farli viaggiare su traiettorie ben definite.