L'esistenza di un magnetismo naturale era nota già agli
antichi
greci (V
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VI secolo a.C.), ma probabilmente ancora
precedentemente era stato scoperto nell'antica Cina, dove
probabilmente le proprietà magnetiche dei materiali venivano
sfruttate per fare giochi di prestigio e illusionismo.
Pare che Archimede (287-212 a.C.) abbia cercato di
magnetizzare le spade dell'esercito siracusano al fine di
disarmare più facilmente i nemici.
Il nome deriva da "Lithos Magnes" in greco antico che a sua
volta deriva da Plinio. |
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Questo viene spiegato nella sua opera "Naturalis
Historia" (77 d.C.), dalla leggenda del pastore
Magnes sul monte Ida, il suo bastone di ferro e i chiodi
nelle sue scarpe furono attratti dalle pietre di magnetite.Ma
questa parola deriva più probabilmente dalla campagna
Magnesia (Magnisia) in Tessaglia, una nota località delle
pietre magnetiche. Che è stata citata da Lucrezio nel suo
"De Rerum Natura".
Altre fonti dicono che il nome è stato dato dalla città di
Magnesia in Asia Minore una regione dell’attuale Turchia. Lì
si trovava una colonia della tribù macedone dei “Magneti”.
Sicuramente nel 1300 appare in Europa, ad Amalfi, la prima
bussola per la navigazione.
Di questa si attribuisce l'invenzione da un certo Flavio
Gioia, il quale però non è nemmeno cero sia esistito
realmente.
Probabilmente la bussola fu inventata in Cina e poi
importata in Occidente dagli Amalfitani, che la realizzarono
nella forma oggi utilizzata, abbinandola alla rosa dei
venti.
La bussola cinese era composta da un cucchiaio magnetico
lasciato libero di ruotare su una tavola di legno.
In pratica gli antichi avevano già capito che alcuni
materiali ferrosi potevano attirare o respingere altri
materiali ferrosi.
E che il fatto di attirarsi o respingersi non era una
proprietà degli oggetti, quanto piuttosto della loro
reciproca posizione.
Cioè li stessi oggetti con caratteristiche "magnetiche", si
attiravano se disposti in un senso ma si respingevano se si
ruotava uno dei due di 180°. |
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Sin qui la storia del
"ferromagnetismo", cioè di quella roba con cui
abbiamo giocato da piccoli attirando pezzettini di
ferro (spilli, chiodi, graffette) con una calamita.
E la scoperta che la stessa Terra si comporta come
una gigantesca calamita, in grado di "attirare" in
qualche modo un oggetto magnetizzato.
Adesso varrebbe la pena capire come funziona.
Diciamo che, in analogia con quanto visto per il
campo elettrico, certamente esiste un "campo
magnetico" capace di attrarre o di respingere gli
oggetti.
La prima considerazione da fare è che, al contrario
del campo elettrico, per il quale è possibile
individuare cariche singole, positive o negative,
per il campo magnetico ciò non è possibile.
cioè non esiste un "polo Nord" se non abbinato da un
"polo Sud".
Quindi sarebbe più corretto, parlando di proprietà
magnetiche, dire che un campo magnetico più che
"attirare" o "respingere" è capace di ORIENTARE
(cioè di far girare in un certo modo) gli oggetti. |
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Il fenomeno del FERROMAGNETISMO è dovuto al fatto che il
ferro e in genere i materiali che hanno questa capacità,
possono essere visti come un insieme di tanti piccoli dipoli
magnetici detti "domini di Weiss" che sono porzioni della
struttura cristallina, dove i piccoli grani che la
compongono si comportano apponto come tanti dipoli
magnetici.
In condizioni normali questi dipoli sono orientati a caso,
ma se sottoposti ad un campo magnetico intenso si allineano
tutti.
Quando poi si toglie il campo magnetico questi dipoli
restano allineati, generando essi stessi un campo magnetico
ordinato, tale da mantenere autonomamente l'allineamento dei
dipoli.
Il magnete resta quindi permanente, almeno sino a quando non
venga scaldato.
Oltre una certa temperatura, infatti (temperatura di Curie -
per il ferro circa 770°C) l'energia termica, che abbiamo
visto possiamo associare ad un "movimento" delle particelle
elementari che compongono un materiale, non è tale da
"rimettere in disordine" questi dipoli, "smagnetizzando" il
materiale. |
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Quando tutti i domini di Weiss sono
allineati il materiale raggiunge la "saturazione" magnetica,
cioè non può essere ulteriormente magnetizzato.
Questo è un limite per l'intensità del campo magnetico che
si può generare grazie ai materiali ferromagnetici. |
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LA FORZA DI
LORENTZ |
Praticamente alla base di tutto ciò che è elettrico, e
quindi l'effetto che permette alla nostra civiltà di
esistere come la conosciamo, visto che senza elettricità
dovremmo tornare al "pre - rivoluzione industriale", c'è il
fatto che una carica elettrica in movimento all'interno di
un campo magnetico viene "deviata".
Per capire in che direzione avviene questa deviazione si usa
la "regola della mano destra" (vedi figura a fianco).
Mettendo la mano destra come in figura e orientando il
pollice nel verso della corrente elettrica (il movimento
della carica, che per convenzione è dal positivo al
negativo), l'indice nel senso del campo elettrico (il dito
"punta" il sud)la forza deviante detta FORZA DI LORENTZ
agisce nel senso del dito medio.
Questo effetto è, come ho detto, fondamentale, perché in
pratica se io prendo un filo percorso da corrente e lo
inserisco in un campo magnetico, la forza di Lorentz lo fa
spostare (e in questo modo costruisco un motore elettrico,
lo vediamo tra un attimo).
Se invece prendo un filo conduttore e lo sposto all'interno
di un campo magnetico le cariche elettriche vengono deviate
generando una "corrente elettrica" (e questo è il modo con
cui si genera appunto la corrente elettrica - ho costruito
un "generatore elettrico"). |
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Il filo conduttore è fermo all'interno di un campo
magnetico e non è percorso da corrente.
Nessuna forza agisce e tutto resta così com'è. |
Allo stesso filo applico una differenza di potenziale
elettrica in modo che si generi una corrente (lo collego ad
una batteria in pratica).
La carica si muove lungo il filo (corrente elettrica)
e la forza di Lorentz sposta il filo (principio del
MOTORE ELETTRICO). |
Se invece io sposto il conduttore la forza di Lorentz mi
fa muovere le cariche all'interno del filo, producendo
quindi una corrente elettrica (principio del GENERATORE
ELETTRICO) |
Se io invece di una spira ne faccio tante le forze
generate su ogni spira si sommano alle altre, permettendomi
di costruire un motore potente quanto voglio.
Basta aumentare il numero delle spire sino ad ottenere la
"coppia" che mi serve.
Ovviamente nulla è "gratis" e per farlo girare devo produrre
una potenza elettrica equivalente alla potenza meccanica che
voglio ottenere dal mio motore, più quella parte che
immancabilmente si perde, nel nostro caso dovuta alla
resistenza del conduttore con cui sono fatte le spire e ai
vari attriti sui componenti rotanti.
Tante spire insieme prendono il nome di "avvolgimento".
Per comodità (ma il principio è identico) posso realizzare
il mio motore al contrario.
Cioè faccio passare la corrente nella spira che sta ferma,
mentre lascio libero di muoversi il magnete che produce il
campo magnetico.
Non cambia nulla, per il terzo principio di Newton, quello
della "azione-reazione" vorrà dire che starà ferma la spira
e ruoterà il magnete. |
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Il generatore elettrico funziona sullo stesso principio, ma
qui io applico alla mia spira una coppia meccanica che la fa
girare, e la forza di Lorentz di conseguenza "mette in moto"
le cariche dentro la spira, generando la corrente elettrica.
Come si vede dalla figura a lato il verso della corrente che
si genera, però, cambia ogni mezzo giro, invertendo la
polarità ai capi del nostro circuito.
Questo generatore infatti produce quella che è la "corrente
alternata".
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