Magnetismo, forza al servizio dell’uomo

COSA sarebbe la vita in quest’epoca moderna se non esistesse il magnetismo? Esso ci porta l’elettricità con cui riscaldiamo le case, illuminiamo le strade, cuciniamo e con cui facciamo ogni giorno molte altre cose! Se non fosse per il magnetismo non potremmo ascoltare bella musica alla radio, guardare un programma televisivo o neppure sollevare il telefono e chiamare un amico.

Questa forza straordinaria ha a che fare con qualcosa che i Cinesi chiamarono “La pietra che tira il ferro”. Noi la chiamiamo calamita o magnete, nome quest’ultimo derivato da magnetite, minerale che abbondava in Magnesia, regione dell’Asia Minore. Indipendentemente dal nome, comunque, la forza misteriosa racchiusa nella magnetite la rendeva preziosa come l’oro. I re ne erano affascinati. I marinai solcavano gli oceani servendosi di una piccola scheggia di magnetite. I pagani pensavano che gli dèi avessero mandato la pietra per guidarli. Ma nonostante tutta l’attenzione prestàtale, nel mondo antico nessuno avrebbe potuto prevedere l’enorme potenziale della forza chiamata magnetismo.

Oggi è facile procurarsi una calamita. Sebbene la magnetite sia un minerale che non si trova comunemente, si possono acquistare a poco prezzo magneti di grande potenza fabbricati dall’uomo. Molti bambini si sono divertiti per ore giocando con un paio di piccole calamite. Anzi, oggi le calamite sono così diffuse che spesso passano inosservate.

Ma cos’è il magnetismo? Che effetto ha su di noi? Qual è la fonte di questa misteriosa forza? Osserviamo da vicino questa straordinaria forza al servizio dell’uomo.

Caratteristiche del magnetismo

Facendo alcuni esperimenti con due calamite a forma di sbarra saremo aiutati a comprendere alcuni caratteri fondamentali del magnetismo. Mettete un foglio di carta sopra la prima calamita e spargete sulla carta della limatura di ferro (ad esempio quella di un chiodo). Picchiettando col dito sulla carta vedrete che questa limatura assume una strana forma. Noterete che tutti i pezzettini di ferro si dispongono in linee che sembrano sfuggire da un’estremità della calamita entrando dall’altra. Stiamo osservando solo una piccola parte del campo magnetico. Queste linee invisibili di forza magnetica in effetti circondano completamente la calamita, in tutte le direzioni. I punti a ciascuna estremità della calamita dove convergono tutte queste linee sono detti poli. Ogni calamita ha due poli che non si possono separare l’uno dall’altro. Se tagliassimo a metà la calamita, il risultato non sarebbero due mezze calamite, ciascuna con un polo. Piuttosto, avremmo due calamite complete, aventi ciascuna due poli, come quella originale.

Ora che abbiamo tracciato il campo magnetico e identificato i due poli del magnete, osserviamo un’altra interessantissima proprietà del magnetismo. Legate una cordicella attorno al centro della calamita e sospendetela per aria. Noterete che un’estremità della calamita si gira segnando il nord. Spostatela e tornerà sempre a segnare il nord. Il polo della calamita che segna il nord è chiamato convenzionalmente polo nord, e quello che segna il sud, polo sud. Su questa proprietà del magnetismo si basa la bussola. Ma qual è la causa del fenomeno?

Per saperlo, dobbiamo usare la seconda calamita. Segniamo su ciascuna calamita una N sul polo che segna il nord, e una S sul polo che segna il sud. Ora prendete una calamita in ciascuna mano e mettete la N di una calamita vicino alla S dell’altra. Cosa accade? Pare ci sia una forza invisibile che le attira. Ma invertite la posizione di una calamita, avvicinando le N o le S, e adesso sembra ci sia una forza che le respinge. È così dimostrata una legge immutabile del magnetismo, cioè i poli opposti si attirano sempre, mentre i poli simili si respingono sempre.

Questa è la ragione per cui un’estremità della calamita si gira sempre verso nord. Anche la terra ha un campo magnetico, come la sbarra della calamita. Questo campo si estende nel lontano spazio e converge a ciascun polo della terra. Quindi, il polo nord del magnete sarà sempre attratto dal Polo Nord del “magnete terra”, mentre sarà respinto dal Polo Sud.

Probabilmente la caratteristica più familiare del magnetismo è la sua capacità di attrarre i metalli. Non tutti i metalli però sono attratti da un magnete. Stagno, alluminio, oro e argento non sono attratti da un magnete, mentre ferro, acciaio, nichel, cobalto, cromo e altri metalli ne sono attratti, sebbene in vario grado. Un fatto interessante è che la forza d’attrazione di una calamita è la stessa a entrambi i poli. Quindi un chiodo di ferro, ad esempio, sarà attratto con la stessa intensità da ambo le parti di una calamita a forma di sbarra.

Ora che abbiamo osservato queste caratteristiche fondamentali del magnetismo dobbiamo ancora rispondere ad alcune importantissime domande. Qual è la sorgente di questa forza? Sì, qual è la causa del magnetismo? E perché non tutti i metalli sono magnetici?

Scoperta la causa del magnetismo

Per rispondere alle suddette domande, dobbiamo esaminare l’atomo, il principale materiale da costruzione della materia. Esso consiste di un nucleo molto compatto formato di protoni e neutroni, con un numero variabile di elettroni che ruotano attorno ad esso, pressappoco come i pianeti del sistema solare ruotano attorno al sole. Questo movimento di elettroni produce in effetti una minima forza magnetica all’interno dell’atomo. La maggioranza degli elettroni sono appaiati in modo tale che i loro campi magnetici si annullano a vicenda. Quando tutti gli elettroni di un atomo sono appaiati, il campo magnetico risultante è nullo. I metalli composti di tale tipo di atomi sono detti amagnetici.

Ma se l’atomo ha elettroni dispari, esso ha un momento magnetico, come lo chiamano gli scienziati. L’intensità di questo momento magnetico determina come gli atomi si allineano nel metallo allo stato solido. Nella maggioranza dei metalli, l’agitazione degli atomi a temperature normali è sufficiente per vincere le forze magnetiche, e i magneti atomici sono disposti disordinatamente, in direzioni a caso. L’effetto totale medio dei campi magnetici di un gran numero di atomi è quindi nullo.

Tuttavia, tali metalli si possono magnetizzare quando vengono inseriti in un altro campo magnetico. Il cromo è uno di questi metalli. La forza del campo magnetico fa allineare parallelamente gli atomi. Ma non appena si sottrae il metallo al campo, di nuovo prevale l’agitazione termica e questa distrugge l’allineamento. Il cromo perde il suo magnetismo. I metalli come questo, che non conservano il magnetismo, sono chiamati paramagnetici.

Per contrasto, in certi metalli, tra cui ferro, cobalto e nichel, i singoli atomi hanno momenti magnetici molto più intensi. Sono così intensi che quando gli atomi stanno cristallizzandosi dopo la fusione, un atomo sente l’effetto di quello vicino e gruppi di atomi si allineano con gli assi magnetici paralleli. Ciascuno di questi gruppi diventa in effetti un piccolo magnete. Tuttavia questi gruppi sono di dimensioni microscopiche e in una fusione fresca sono orientati a caso. Pertanto un comune chiodo di ferro, per esempio, non è un magnete.

Ma se si mette un pezzo di ferro in un campo magnetico, i gruppi allineati con il campo tendono a crescere a spese dei gruppi vicini, facendo allineare con loro gli atomi adiacenti. Questo fenomeno si intensifica se si riscalda il metallo, o sottoponendolo a vibrazioni. L’allineamento formato in questo modo persiste quando si toglie il ferro dal campo. Pertanto il metallo è divenuto un magnete permanente. Questi metalli, che si possono magnetizzare permanentemente, sono detti ferromagnetici. Gli atomi di ferro della magnetite furono allineati in questo modo, sembra per effetto del campo magnetico terrestre quando il minerale si stava cristallizzando.

Più grandi sono i gruppi allineati con il campo, e più piccoli sono quelli orientati a caso, più potente sarà il magnete permanente che ne risulta. Gli scienziati hanno scoperto che applicando calore al metallo o sottoponendolo a vibrazioni mentre è in un potente campo magnetico, il numero massimo di gruppi atomici può essere permanentemente allineato. In tal modo si possono produrre economicamente magneti permanenti di grande intensità.

Magnetismo celeste

Come abbiamo detto, la terra stessa è un grande magnete. Qual è la causa del campo magnetico del nostro globo? Alcuni pensano che fosse causato dai minerali magnetici naturali presenti all’interno della terra. In altre parole, ritengono che la terra sia un gigantesco magnete permanente. Ma in tempi più recenti si è appreso che l’altissima temperatura interna della terra esclude questa possibilità.

Oggi la spiegazione più estesamente accettata è che il campo magnetico del nostro globo derivi da correnti elettriche nel nucleo terrestre, aventi in qualche modo relazione con la rotazione della terra sul proprio asse. C’è anche l’evidenza che altri pianeti sono magnetici. Giove, in particolare, ha un campo molto più intenso di quello della terra. E il sole stesso ha un campo magnetico estremamente intenso. Perfino la Via Lattea, la galassia comprendente il nostro sole e alcune centinaia di miliardi d’altre stelle, dà prova d’avere un campo magnetico.

Gli scienziati stanno appena scoprendo il ruolo del campo magnetico terrestre nella protezione della vita. Se ne ha un esempio in relazione alle violente tempeste magnetiche che avvengono sulla superficie del nostro sole (chiamate “macchie solari”). Le immense regioni di campi magnetici concentrati nella calda atmosfera solare coprono in effetti estensioni più grandi della terra, e hanno campi magnetici oltre mille volte più intensi di quello del nostro pianeta. Il sole invia continuamente nello spazio correnti di particelle elettricamente cariche, chiamate “vento solare”. Questo vento sarebbe micidiale per la vita terrestre, ma il nostro campo magnetico intrappola le particelle solari nello spazio prima che raggiungano l’atmosfera. Piega la loro traiettoria in spire attorno alle linee di forza magnetica e le incanala nell’atmosfera nelle regioni del Polo nord e del Polo sud. Anche in questo caso, quando sul sole c’è un’intensa tempesta magnetica, possiamo aspettarci poco dopo una tempesta geomagnetica che disturba le trasmissioni radio, il radar e anche l’erogazione dell’elettricità. Produce anche quei grandi ‘fuochi d’artificio’ chiamati aurora boreale e aurora australe.

Il campo magnetico terrestre ci protegge pure dai pericolosissimi raggi cosmici deviandoli verso le latitudini polari. Probabilmente non comprendiamo ancora perfettamente in quanti modi questo “cuscino” magnetico ci rechi beneficio. Ma è evidente che il magnetismo del nostro pianeta ha un ruolo chiave nella protezione della vita.

Elettricità e magnetismo

Il magnetismo è utile all’uomo soprattutto grazie alla sua relazione con l’elettricità. Ricordate che sono proprio le piccole correnti elettriche in seno all’atomo a causare in primo luogo il magnetismo. Infatti, magnetismo ed elettricità sono così strettamente legati che l’uno causa l’altra e viceversa. In che modo?

L’elettricità che passa per un filo fa magnetizzare il filo. No, quel filo non attirerà altri metalli perché il campo magnetico circonda il filo secondo linee circolari, non avendo poli definiti. Ma se il filo è avvolto come in un rocchetto, il campo magnetico che circonda ciascuna spira si somma a quello vicino, e ne risulta un solo grande campo magnetico. Più numerose sono le spire del filo, più forte è il magnete prodotto. Questo magnete si può eccitare e diseccitare semplicemente chiudendo e aprendo il passaggio dell’elettricità. Se non c’è corrente elettrica, non c’è campo magnetico. Questo tipo di magnete è chiamato elettromagnete.

Un semplice esempio di elettromagnete in azione è il comune campanello della porta. Quando si preme il pulsante, l’elettricità passa attraverso un elettromagnete, attirando verso di esso un pezzo di metallo incernierato. Spostandosi verso l’elettromagnete, il metallo colpisce una piccola campana. Quando staccate il dito dal pulsante, l’elettromagnete libera il metallo, che tornando alla posizione originale colpisce un’altra campana, producendo il familiare “ding-dong”. In questo e in altri modi a volte più complessi, i magneti e gli elettromagneti sono alla base della maggioranza dei dispositivi elettrici.

I motori elettrici si basano sull’elettromagnete. Per dirlo in parole semplici, elettromagneti disposti a cerchio sono eccitati e diseccitati a precisi intervalli di tempo, e le proprietà dei magneti di attrarre e respingere mettono in moto un rotore all’interno del cerchio. Così motori elettrici di varia potenza ci rendono molti servizi, dall’azionare le lancette degli orologi al portare velocemente a destinazione pesanti treni suburbani.

Interruttori, relè, solenoidi, contatori, manometri e molti altri strumenti dell’industria elettrica si basano su questa semplice relazione fra elettricità e magnetismo. Infatti, il magnetismo permette di trasmettere il suono della vostra voce ai vostri cari per mezzo dei fili del telefono, e poi vi permette di udire in risposta la loro voce! Gli elettromagneti contenuti negli altoparlanti della radio, del televisore o dello stereo convertono gli impulsi elettrici in suono, riproducendo l’originale con stupefacente fedeltà. Sì, il magnetismo vi permette di registrare su nastro le prime parole di vostro figlio o il primo assolo di violino di vostra figlia, e di rivivere anni dopo quei preziosi momenti.

È un fascio di elettroni fatti convergere precisamente da campi magnetici a produrre le immagini sullo schermo televisivo. È pure facendo convergere i fasci di elettroni per mezzo del magnetismo che gli scienziati possono esplorare il mondo dell’infinitamente piccolo per mezzo di microscopi elettronici.

La relazione fra elettricità e magnetismo opera anche all’incontrario. I generatori che producono elettricità si servono del magnetismo. Potenti magneti permanenti sono disposti a cerchio, e turbine azionate da vapore o acqua fanno ruotare avvolgimenti di filo in questi intensi campi magnetici. Questo movimento del filo lo fa attraversare da una corrente elettrica. Poi tale corrente è trasformata ad una tensione conveniente e inviata alle nostre case.

Non è un’esagerazione dire che l’intera industria elettrica d’oggi non esisterebbe se non fosse per la potente forza che chiamiamo magnetismo.

Grandi possibilità

Ci sono ancora molte cose da imparare sul magnetismo, e più scoperte gli scienziati fanno su questa forza, più impieghi escogitano. Per esempio, una nuova tecnologia chiamata magnetoidrodinamica (MHD) promette di rendere la produzione di elettricità ancora più economica che oggi. Le grandi città per la maggior parte usano turbine a vapore per azionare i generatori, e si utilizzano combustibili fossili come il carbone per produrre il vapore. Per mezzo della MHD, comunque, si potrebbe produrre elettricità non solo nel generatore ma anche nel camino. Come? Quando i gas caldi prodotti dalla combustione del carbone vengono incanalati in un campo magnetico, si produce una corrente elettrica. Questo nuovo sistema rivoluzionario può convertire l’energia del carbone in elettricità, in modo più efficiente che con qualsiasi altro sistema. Alcuni ricercatori dicono che con la MHD da una tonnellata di carbone si produce nientemeno che il 50 per cento di elettricità in più. La MHD è stata anche proposta come metodo per estrarre energia da certi tipi di reattori atomici.

Nel campo dei trasporti, si sta facendo progresso nella costruzione di treni che “volano” sopra rotaie speciali per mezzo della “levitazione magnetica”. Elettromagneti posti sul treno e nella rotaia fanno galleggiare il treno a una trentina di centimetri dalle guide di scorrimento, e quindi lo spingono avanti a notevole velocità. Esperimenti condotti in Germania e Giappone indicano che tali treni potranno trasportare i passeggeri a velocità di oltre 300 chilometri orari. I sistemi di trasporto veloce basati sulla levitazione magnetica hanno vantaggi sia economici che ambientali rispetto agli altri sistemi. Per esempio, non impiegano parti mobili soggette a logorio, consumano quantità minori di energia, non inquinano e sono silenziosi. Nella sua ricerca di un maggior numero di impieghi del magnetismo l’uomo è appena agli inizi. L’accresciuta conoscenza di tale forza dinamica presente nell’universo può ben indurci a riflettere sulla potenza di Geova Dio, il Creatore di tali forze. Egli è ‘abbondante in energia dinamica e vigoroso in potenza’, e ha dato origine anche al magnetismo, questa potente forza al servizio dell’uomo! — Sal. 147:5; Isa. 40:26.

[Immagini a pagina 19]

Nei metalli non magnetizzati, piccoli gruppi atomici sono disposti coi poli magnetici situati a caso

Una volta magnetizzati, i gruppi atomici si allineano nuovamente e risultano paralleli l’uno all’altro

[Immagini a pagina 20]

Il campo magnetico attorno a un filo in cui passa elettricità ha la forma di una ciambella e non ha poli definiti

Quando il filo è avvolto, la corrente elettrica che l’attraversa produce un elettromagnete con poli magnetici definiti

[Immagine a pagina 21]

Si stanno costruendo treni veloci che “volano” su speciali rotaie per mezzo della “levitazione magnetica”