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Magnetismo e elettromagnetismo

 

Elettromagnetismo


Tratto da wikipedia : In fisica, l'interazione elettromagnetica è una delle quattro interazioni fondamentali previste dal Modello Standard, il cui mediatore è il fotone. Si tratta della forza generata dal campo elettromagnetico, e si propaga per mezzo della radiazione elettromagnetica, un fenomeno ondulatorio che non richiede di alcun supporto materiale per diffondersi nello spazio, e che nel vuoto viaggia alla velocità della luce.

La forza elettromagnetica è responsabile dell'interazione tra due oggetti carichi, sorgenti del campo campo elettromagnetico. L'elettromagnetismo è la branca della fisica che descrive i fenomeni legati all'interazione elettromagnetica, e viene studiato dall'elettrodinamica classica, la teoria dei campi elettromagnetici generati da un insieme di cariche elettriche in moto e formulata secondo i principi della teoria della relatività, e dall'elettrodinamica quantistica, una teoria quantistica del campo elettromagnetico che include la teoria della relatività ristretta e che descrive tutti i fenomeni che coinvolgono particelle elettricamente cariche interagenti per mezzo della forza elettromagnetica. L'elettromagnetismo costituisce una teoria scientifica fondamentale che ha permesso di spiegare fenomeni naturali come l'elettricità, il magnetismo e la luce.


 

Elettromagnetismo

Tratto da "Biografia della Fisica", di G. Gamow

 

L’ERA DELL’ELETTRICITA’

 

Le prime scoperte

 

I fenomeni di elettricità e di magnetismo erano noti agli antichi Greci e, probabilmente, al resto del mondo antico, ma i primi studi sistematici di questi ­fenomeni furono intrapresi soltanto all’inizio della rinascita delle arti e delle scienze. Sir William Gilbert, medico personale della re­gina Elisabetta I e contemporaneo di Galileo, eseguì accurate ri­cerche sulle interazioni magnetiche, e ne pubblicò i risultatiin un libro, i1 De magnete, che contiene una descrizione qualitativa delle principali. proprietà dei magneti. Gilbert, sostenitore entusiasta del sistema copernicano, sperava di spiegare le forze attrattive planetarie come un effetto di attrazione magnetica tra i pianeti e il Sole.

Per studiare più da vicino questi problemi costruì delle sfere di magnetite, un minerale di ferro magnetico, e studiò il campo magnetico da esse generato disponendo piccolissimi aghi magnetici nella re­gione attorno alle sfere: scoprì così che un estremo dell'ago era at­tratto con la massima forza verso una regione molto piccola della sfera, mentre l'altro estremo era attratto con la massima intensità verso la regione diametralmente opposta. Nei vari punti della su­perficie della sfera l'ago si orientava in una posizione definita lungo un grande cerchio che conteneva i punti di massima attrazione - o poli magnetici - della sfera. Poiché il fenomeno era identico a quello che si verificava per gli aghi magnetici nei vari punti della su­perficie terrestre, Gilbert concluse che il nostro globo può conside­rarsi come un enorme magnete i cui poli sono posti vicino ai poli Nord e Sud geografici. Questa ipotesi, sopravvissuta attraverso i secoli e precisata in termini matematici dal tedesco Karl Friedrich Gauss, costituisce oggi il concetto su cui si basa la teoria del magneti­smo terrestre. Invece, i tentativi di Gilbert di ritenere le forze magne­tiche responsabili del moto dei pianeti attorno al Sole fallirono mise­ramente e circa mezzo secolo dopo Newton spiegò questo moto mediante le forze di gravitazione universale, che nulla hanno a che vedere col magnetismo.

Mentre Newton teneva segrete le sue idee sulla gravitazione uni­versale il fisico tedesco Otto von Guericke, meglio noto per i suoi esperimenti con i cosiddetti “emisferi di Magdeburgo” (due emisferi metallici, i quali, una volta messi a contatto e vuotati d'aria, non si possono staccare nemmeno con la forza di due pariglie di cavalli), tentò di spiegare l'attrazione tra il Sole e i pianeti mediante interazioni di natura elettrica. Anche se non raggiunse il suo obiettivo, Von Guericke riuscì a rivelare alcune notevoli proprietà delle cariche elet­triche. Tra l'altro scoprì che, se una bacchetta di ambra strofinata attirava e sollevava piccoli frammenti di carta, così due oggetti leg­geri posti successivamente a contatto con la bacchetta d'ambra stro­finata si respingevano; similmente una carica elettrica può passare da un corpo a un altro non solo per contatto diretto, ma anche me­diante una corda umida o un filo metallico tesi fra i due corpi.

Altre ricerche sui fenomeni elettrici, eseguite da Charles du Fay all'inizio del XVIII secolo, portarono alla scoperta, dell'esistenza di due tipi di elettricità: quella prodotta dallo strofinio dell'ambra, della gomma dura, della ceralacca e di altre sostanze resinose; e quella prodotta dallo strofinio di sostanze vetrose, come il vetro e la mica. Questi due tipi di fluidi elettrici furono chiamati ‘resinoso’ e ‘vetroso’ e si scoprì che cariche elettriche dello stesso tipo si respingono, men­tre cariche di tipo diverso si attraggono. Si supponeva che i corpi elettricamente neutri contenessero uguali quantità dei due fluidi e che i corpi elettricamente carichi avessero un eccesso dell'uno o del­l’altro tipo di elettricità. I fenomeni osservati da Otto von Guericke molto tempo prima furono interpretati come interazioni tra i due tipi di fluidi elettrici.

Supponiamo di strofinare una sferetta di gomma piena, in modo da caricarla di elettricità resinosa: se ora disponiamo nelle vicinanze un piccolo corpo scarico, contenente cioèle due qualità di elettricità ugualmente distribuite, l'elettricità resinosa verrà respinta fino alla zona del corpo più lontana dalla sfera, mentre l'elettricità vetrosa verrà attirata verso l'estremo più vicino a essa. Poiché le interazioni elettriche diminuiscono di intensità con la distanza, la forza d'attra­zione agente sulle cariche vetrose sarà più sensibile di quella repulsiva agente sulle cariche resinose e l'effetto totale sarà una attrazione tra i due corpi. Se invece di una sferetta di gomma piena prendiamo una pallina di vetro si avrà un risultato identico, benché nel discorso si debbano scambiare le locuzioni ‘cariche vetrose’ e ‘cariche resinose’. In tal modo un corpo neutro sarà attirato da uno carico; il fenomeno della separazione delle cariche in un corpo originariamente scarico prende il nome di ‘polarizzazione’ o ‘induzione’ elettrica. Se ora met­tiamo due piccoli oggetti a contatto con un grosso corpo carico, essi si caricheranno dello stesso tipo di elettricità e quindi si respinge­ranno fra loro quando li allontaneremo dal corpo carico.

Durante queste interessanti ricerche furono inventati due importanti congegni elettrici: l’elettroscopio a foglio e  la bottiglia di Leyda. L'elettroscopio è uno strumento in grado di ri­velare la presenza di cariche elettriche e fu costruito nel 1705 da Haukesbee; esso consiste di due pagliuzze fissate all'estremità in­feriore di un'asticciola metallica: quando l'asticciola è posta a con­tatto di un corpo carico di elettricità resinosa o vetrosa tutte due le pagliuzze si caricano allo stesso modo e divergono. E’ uno strumento che si usa tuttora ma, al posto delle pagliuzze, si usano due foglio­line d'oro che hanno il pregio di essere molto più leggere e quindi più sensibili alle piccole quantità di elettricità.

La bottiglia di Leyda, costruita nel 1745 da un gruppo di scienziati dell'Università di Leyda, fu progettata allo scopo di raccogliere una grande quantità di cariche elettriche ed era formata da un cilindro di vetro le cui pareti interne ed esterne erano ricoperte da sottili lamine d'argento. Se si collega la parete interna a un corpo carico e quella esterna a terra, o viceversa, l'elettricità (vetrosa o resinosa che sia) tende a sfuggire verso il suolo, ma viene bloccata dallo strato di vetro: in questo modo è possibile raccogliere nella bottiglia notevoli quantità di elettricità e si possono ottenere impressionanti scintille collegando con un filo metallico la parete interna con quella esterna. La vecchia bottiglia di Leyda è oggi superata e il suo posto è stato preso dai più vari tipi di condensatori, oggetti formati da un rilevante numero di lamine metalliche separate da sottili strati di aria, vetro o mica. Questa struttura li rende adatti a immagazzinare enormi quantità di elettricità, com'è richiesto in moltissimi casi, in tutti i campi della fisica e dell'elettrotecnica. In particolare il primo acceleratore di particelle, costruito nel 1930 all'Università di Cambridge da John Cockroft e da E. T. S. Walton, era costituito da una batteria di condensatori che poteva essere caricata fino a un milione di volt. Scaricando i condensatori attraverso un tubo di vetro contenente idrogeno si producono ‘proiettili atomici’ di energia tanto elevata che, colpendo gli atomi di un bersaglio di litio posto a una estremità del tubo, li spezzano in due parti.

Allo stesso periodo appartiene, il lavoro del grande statista e scrit­tore americano Benjamin Franklin, che cominciò ad înteréssarsi di fisica alla matura età di quarant’anni. Egli non era soddisfatto delle piccole scintille che si ottenevano strofinando una caloscia contro una pelliccia e desiderava divertirsi con scintille molto più intense, del tipo di quelle che Giove scaglia dalle nubi durante i temporali e così decise di inviare degli aquiloni sulle nuvole per raccogliere elet­tricità. Servendosi della corda umida che reggeva gli aquiloni e che fungeva come perfetto -conduttore di elettricità egli riuscì a caricare  le bottiglie di Leyda e ad ottenere successivamente violente scariche elettriche., I risultati delle sue ricerche, raccolti nel libro Esperimenti e osservazioni sull’elettricità eseguiti a Filadelfia, in America (1753), gli valsero l’assegnazione di una borsa di studio presso la Royal So­ciety di Londra e il titolo di membro associato dell’Accademia Reale delle Scienze di Parigi. Tuttavia, dopo aver sfidato Giove con i suoi esperimenti Franklin non fu tanto abile nell’interpretazione teorica dei risultati ottenuti. Egli introdusse l’ipotesi dell’esistenza di un solo tipo di fluido elettrico che chiamò elettricità ‘vetrosa’, affermando che i due diversi tipi di elettrizzazione osservati sperimen­talmente corrispondevano all’abbondanza o alla scarsità di quel fluido imponderabile, e chiamò carichi positivamente i corpi con eccesso di elettricità vetrosa (come una bacchetta di vetro strofinata) e ca­richi negativamente i corpi con scarsità dl elettricità vetrosa (come una bacchetta di ambra strofinata). Quando due corpi, contenenti l’uno un eccesso e l’altro un difetto di fluido elettrico vetroso, ven­gono a contatto, la corrente elettrica deve fluire dal primo corpo, sul quale è in eccesso, al secondo, sul quale è in difetto.

Queste idee di Benjamin Franklin condussero alla moderna ter­minologia, secondo la quale la corrente elettrica fluisce dall’elettrodo positivo (anodo) a quello negativo (catodo). Oggi sappiamo che l’idea di Du Fay sull’esistenza di due fluidi elettrici diversi è molto più vicina al vero di quella di Franklin, sebbene si possa dire che la si­tuazione sia stata più complicata che chiarita da parte di entrambi. Esistono particelle cariche sia positivamente sia negativamente e, per ogni particella che trasporta normalmente una carica positiva o negativa, esiste una corrispondente ‘antiparticella’ con carica di segno contrario. Franklin si era avvicinato molto alla esatta inter­pretazione dei fatti nel caso della corrente nei cavi metallici, nei quali la corrente è dovuta esclusivamente al movimento degli elettroni, che però sono carichi di elettricità resinosa e non vetrosa. Si sente spesso parlare della proposta di scambiare tra loro i nomi dell’elet­tricità positiva e negativa, in modo che la direzione convenzionale della corrente dall’elettrodo positivo a quello negativo coincida con la direzione di movimento degli elettroni, ma in questo modo si creerebbero delle complicazioni nel caso degli acceleratori di parti­celle che inviano sui bersagli atomici protoni di alta energia: invece di uscire dalla bocca del disintegratore la corrente elettrica vi entre­rebbe. Non solo, ma anche nel caso dei liquidi, nei quali l’elettricità è trasportata sia dagli ioni positivi sia dagli ioni negativi mobili in direzioni opposte, un tale cambio di terminologia non porterebbe ad alcun vantaggio pratico.

La legge delle forze elettriche e magnetiche

Nella seconda metà del XVIII secolo, i fisici di molti Paesi si dedi­carono agli studi quantitativi delle forze elettriche e delle forze ma­gnetiche. Una delle più importanti, scoperte in questo campo fu opera del francese Charles Augustin_de Coulomb, che inventò la cosid­detta bilancia di torsione per la misura di forze di debole intensità. La bilancia di torsione è costituita da una leggera sbar­retta sospesa a un lungo e sottile filo e recante alle estremità due sferette metalliche identiche. Quando sulle sferette non agisce alcuna forza, la sbarretta assume una certa posizione di equilibrio, ma se una delle due sferette viene caricata elettricamente, per esempio avvicinando a essa un’altra sferetta carica, la forza di origine elet­trica agente sulla sferetta mobile farà rotare la sbarretta attorno al punto di sospensione fino a quando la torsione del filo equilibrerà la forza agente. Essendo il filo molto sottile sarà sufficiente una debole forza sulla sferetta mobile per produrre una notevole deviazione della sbarretta dalla posizione originaria e l’angolo di rotazione sarà pro­porzionale a tale forza. Coulomb, caricando le sferette fisse e quella mobile con diverse quantità di elettricità e variando la distanza fra quelle e questa, ar­rivò a formulare la legge che oggi porta il suo nome, secondo la quale le forze di attrazione e repulsione elettrica sono direttamente propor­zionali al prodotto delle due cariche e inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza. Si può conseguentemente de­finire l’unità elettrostatica di carica come la carica che agis-ce      con la forza di 1 dina, su una carica uguale posta, ne1  vuoto, alla distanza di 1 centimetro. Nella pratica, tuttavia si preferisce usare una unità di carica elettrica molto più grande, il coulomb, pari a 3 x 109 unità elettrostatiche. Con la stessa bilancia di torsione, so­spendendo un magnete al filo e disponendo verticalmente un altro magnete attraverso il coperchio dello strumento, Coulomb estese la validità della sua legge anche alle interazioni magnetiche. In quell’epoca viveva in Inghilterra  Henry _Cavendish, uomo dal carattere molto chiuso,egli non aveva amici, aveva paura delle donne e le cameriere della sua casa erano costrette a tenersi lontano dalla sua presenza e ricevevano gli ordini di ciò che deside­rava a pranzo mediante appunti che egli lasciava ogni mattina sulla tavola della sala. Cavendish non aveva passione alcuna, né per la musica, né per l’arte in genere e dedicava tutto il suo tempo ad espe­rimenti di fisica e di chimica nel laboratorio privato che aveva alle­stito nella sua grande casa signorile. Il suo lavoro era solo interrotto saltuariamente da qualche passeggiata o dalla partecipazione ai pranzi della Royal Society, durante i quali Cavendish aveva modo di scambiare informazioni con altri chimici e fisici. Durante la sua lunga vita (mori a 79 anni) egli pubblicò solo qualche articolo di scarsa risonanza, ma dopo la sua morte furono scoperti un milione di sterline sul suo conto in banca e venti pacchi di appunti preziosis­simi nel suo laboratorio. Questi appunti restarono in mano ai suoi parenti per molto tempo, ma quando finalmente  circa cent’ anni dopo, essi furono pubblicati, apparve chiaro che Cavendish era stato uno dei più grandi fisici sperimentali mai vissuti. Egli scopri infatti tutte le leggi delle interazioni elettriche e magnetiche contemporaneamente a Coulomb.  Cavendish costruì inoltre una bilancia per lo studio di forze gravitazionali estremamente deboli tra piccoli oggetti e, sulla base di questi esperimenti, calcolò esattamente il valore della massa della Terra.

 

La scarica elettrica prodotta da un’anguilla

 

Gli abitanti dell’Africa e del Sud America hanno una certa familiarità con un interessante pesce dei fiumi tropicali, che colpisce con intense scariche elettriche chiunque tenti di catturarlo. Nel 1750 una nave inglese trasportò à Londra mola esemplari di questo pesce e i biologi cominciarono a studiarne la natura, scoprendo in breve che la scarica elettrica si aveva soltanto se si toccavano contemporanea­mente con una mano l’estremità della testa del pesce e con l’altra l’estremità della coda. Questi fatti ricordavano l’effetto della bottiglia di Leyda, da poco inventata a quell’epoca, e, il pesce fu chiamato Sirius electronicus o anguilla elettrica e, quando finalmente si dimo­strò che poteva essere usato per caricare la bottiglia di Leyda, non vi fu più alcun dubbio, se non quello della natura della scarica elet­trica che in esso si verificava.

L’elettricità prodotta dal Sirius electronicus attirò l’attenzione del fisiologo italiano., Luigi Galvani, che in quell’epoca stava studiando il fenomeno della contrazione dei muscoli delle zampe delle rane, un piatto prelibato per molti buongustai. Galvani osservò - come dice la leggenda – che le zampe di una rana appesa a un gancio di rame sulla ringhiera di ferro del suo balcone, saltellavano come se  fossero animate da soffio vitale allorché venivano a contatto col ferro della ringhiera. Per ripetere 1’esperimento in condizioni più sicure, Gal­vani, come annota in data 20 settembre 1786, si servì di una specie di compasso con un dente di ferro e uno di rame per collegare il nervo e il muscolo di una zampa di rana e osservò che la zampa si con­traeva rapidamente ad ogni contatto; avveniva cioè qualcosa di analogo alla scarica dell’anguilla elettrica.

Tuttavia c’era qualcosa di diverso nei due fenomeni e un suo ami­co, il fisico Alessandro Volta, dimostrò che la corrente elettrica che causava la contrazione della zampa della rana era dovuta a un fe­nomeno  del tutto inorganico, che è sempre possibile osservare quando gli estremi di un filo metallico fatto saldando insieme due fili di metalli diversi sono immersi in una soluzione acquosa di determinati sali. Volta chiamò questo fenomeno galvanismo, in onore del suo amico e realizzò poco dopo il dispositivo ora noto come pila di Volta usando un gran numero di dischi di ferro e zinco alternati e separati  da strati di panno inzuppato in soluzione salina. La pila di Volta fu il prototipo delle moderne batterie elettriche, quelle stesse che usiamo oggi nelle torce elettriche e in vari altri dispositivi.

Nel marzo del 1800 Volta inviò un manoscritto illustrante le sue scoperte alla Royal Society di Londra (in quell’epoca il principale centro interna­zionale di scambio di  informazioni scientifiche), nel quale scrive:

“Si, il dispositivo del quale mi accingo a parlarvi e che, senza dubbio, vi mera­viglierà non è altro che un insieme di buoni conduttori di diverso tipo, disposti in un certo modo. Si tratta di 30, 40, 60 o più pezzi di rame, o meglio di argento, appoggiati ciascuno su un pezzo di stagno, o meglio di zinco, e un ugual numero di strati d’acqua o di qualche altro liquido più conduttore dell’acqua pura, come acqua salata, ranno, ecc. o pezzi di cartone o di cuoio ben impregnati di questi liquidi. Tali strati, interposti tra i due componenti di ogni coppia di metalli di­versi, disposti alternativamente sempre nello stesso ordine, sono tutto ciò che costituisce il mio nuovo strumento, che imita, come ho già detto, gli effetti della bottiglia di Leyda o di batterie elettriche per quanto riguarda la produzione delle scariche elettriche; però le sue prestazioni sono molto inferiori per quanto ri­guarda la violenza ed il rumore delle esplosioni, l’intensità della scarica e la di­stanza alla quale questa può aver luogo; esso insomma uguaglia solo l’effetto di una di tali batterie caricate molto poco, cioè con una capacità molto grande; tuttavia il mio strumento supera di gran lunga la potenza e la versatilità di tali batterie, in quanto esso non richiede di essere caricato prima dell’uso, cioè non necessita di una fonte esterna di elettricità, non solo, ma esso è in grado di pro­durre una scarica tutte le volte che viene toccato per quanto frequentemente questo fatto si verifichi.”

Purtroppo accadde un fatto veramente spiacevole: Mr. Carlisle e Mr. Nicholson, incaricati delle pubblicazioni della Royal Society, nascosero il manoscritto, ripeterono gli esperimenti di Volta e pub­blicarono i risultati ottenuti a loro nome, ma l’imbroglio non riuscì: i risultati delle ricerche di Volta furono ben presto divulgati da altre fonti; Carlisle e Nicholson furono accusati di plagio e presto scom­parvero nell’ombra. Oggi la pila di Volta e il volt, unità di potenziale elettrico, ricordano il nome del geniale scienziato italiano.

L’elettromagnetismo                          

Probabilmente i primi studiosi di fenomeni elettrici e magnetici avevano intuito l’esistenza di qualche profonda relazione tra i due, ma non riuscirono a scoprirla. Le cariche elettriche non avevano alcuna influenza sui magneti come del resto i magneti sulle cariche elettriche. Il grande onore della scoperta della connessione tra l’elet­tricità e il magnetismo toccò al fisico danese Hans Christian Oersted il quale, venuto a conoscenza delle ricerche di Volta sulla pila si costruì un proprio tipo di pila e iniziò vari esperimenti con essa.

Un giorno del lontano 1820 recandosi all’Univèrsità di Copenhagen per tenere una lezione, Oersted ebbe un’idea brillante: se l’elet­tricità statica non influenza in alcun modo i magneti, può darsi che le cose vadano diversamente se si collegano i due poli di una pila di Volta con un conduttore e si lascia fluire corrente nel circuito. Giun­to nell’aula stipata di giovani studenti Oersted posò sul tavolo la sua pila voltaica, ne collegò i poli con un filo di platino e avvicinò ad essa un ago magnetico: questo, che avrebbe dovuto orientarsi nella direzione nord-sud, fece invece un mezzo giro su sé stesso e si fermò in direzione perpendicolare a quella del filo. Il pub­blico degli uditori non fu molto sorpreso, ma Oersted, dopo la le­zione, si fermò nell’aula con la speranza di individuare l’origine del­l’insolito fenomeno. Dapprima egli pensò che il moto dell’ago fosse dovuto alle cor­renti d’aria prodotte dal filo riscaldato per il passaggio della corrente e, per confermare questa sua supposizione, egli interpose tra l’ago e il filo di platino un pezzo di cartone con l’intenzione di arrestare le eventuali correnti d’aria, ma non notò alcuna differenza. Allora ruotò la pila di 180 gradi, invertendo le polarità, in modo da far fluire la corrente in direzione opposta nel filo di platino, ma anche l’ago ruotò di 180 gradi e il polo nord si orientò nella direzione in cui prima era orientato il polo sud: era evidente che doveva esserci una interazione tra i magneti e le cariche elettriche in movimento e che la direzione nella quale la corrente elettrica fluiva nel filo in­fluenzava l’orientamento dell’ago magnetico. Oersted prese nota di tutte le osservazioni relative alla sua scoperta e le mandò alla rivista francese Annales de chimie et de physique perché fossero pubbli­cate. L’articolo apparve verso la fine del 1820, corredato dalla se­guente annotazione fatta dalla direzione:

I lettori degli Annales dovrebbero aver notato che per principio noi non siamoportati a sostenere troppo caldamente annunci di straordinarie scoperte* e finora non possiamo davvero lamentarci di questa nostra politica. Ma riguardo all’ar­ticolo di Mr. Oersted, i suoi risultati, per quanto singolari possano sembrare, sono corredati da troppi particolari per far sospettare un qualsiasi errore.

 

Così l’elettromagnetismo come lo, chiamò Oersted, divenne una realtà. Quando la notizia della, sensazionale scoperta di Oersted giunse a Parigi, attirò l’attenzione del fisico e matematico francese André­ Marie Ampere, i1 quale, nel corso di poche settimane scoprì che non solo una corrente elettrica agisce su un ago magnetico, ma che anche due correnti elettriche agiscono l’una sull’altra: ‘infatti due fili paralleli percorsi da correnti concordi si attraggono, mentre, se la corrente li percorrono in sensi opposti, i due fili si re­spingono. Ampere inoltre dimostrò che una spira di rame percorsa da corrente e libera di ruotare attorno a un asse verticale si orienta nella direzione nord-sud come avviene per l’ago magnetico e due di tali spire interagiscono come due sbarrette magnetiche. Queste scoperte fecero pensare ad Ampère che il magnetismo na­turale fosse dovuto a particolari correnti elettriche interne ai corpi magnetizzati. Secondo Ampère ogni molecola delle sostanze magne­tiche è percorsa internamente da una corrente elettrica circolare che la rende simile a un microscopico elettromagnete; quando il ma­teriale non è magnetizzato, gli elettromagneti individuali molecolari sono orientati casualmente in tutte le direzioni e l’effetto complessivo è nullo, mentre nei corpi magnetizzati i magneti molecolari sono orientati, almeno in parte, in una sola direzione e l’effetto complessivo si manifesta con azioni di repulsione o attrazione magnetica. Le ve­dute di Ampère sono pienamente confermate dai fisici moderni, i quali attribuiscono le proprietà magnetiche degli atomi e delle mo­lecole alla rotazione degli elettroni attorno ai nuclei o sul proprio asse. Poiché Ampère fu il primo a concepire con chiarezza le cor­renti elettriche come moto di cariche elettriche nei conduttori, l’uni­tà di intensità di corrente porta il suo nome. Si dice che in un con­duttore passa la corrente di 1 ampere quando attraverso una sezione del conduttore passa la carica elettrica di 1 coulomb al secondo.

Ampère, pur essendo un grande scienziato, fu il classico esempio del professore distratto; si dice che durante le sue lezioni egli usasse spesso il cancellino della lavagna per soffiarsi il naso e un’altra sto­riella dice che un giorno, mentre passeggiava per Parigi, egli scambiò la porta di una carrozza ferma presso un marciapiede per una lava­gna e cominciò a riempirla di formule matematiche: quando la car­rozza si mosse egli la inseguì a piedi deciso a terminare i suoi calcoli. Un giorno Napoleone visitò l’Accademia di Parigi e Ampère non lo riconobbe. Napoleone, sorridendo, gli fece notare: « Vedete, signore, quanto sia poco piacevole vedersi raramente tra noi colleghi. Non vi ho mai visto alle Tuileries, ma so come obbligarvi a venire là o almeno a dirmi buongiorno! » e lo invitò a pranzo per il giorno dopo. Ma il giorno dopo, alla tavola nella sala da pranzo di Napoleone c’era una sedia vuota: quella riservata ad Ampère, che si era dimenticato dell’importante invito.

 

Le Leggi Dei Circuiti Elettrici

Mentre, Ampere era completamente assorto nei suoi studi sugli ef­fetti magnetici associati alle correnti elettriche, il fisico tedesco Georg Simon Ohm, in quel tempo insegnante in una scuola di Colonia, svolgeva ricerche sulla dipendenza di una corrente elettrica che at­traversa un conduttore dalle caratteristiche del materiale del condut­tore e dalla differenza di potenziale elettrico esistente ai suoi estremi. A tale scopo, Ohm collegò in serie un buon numero di pile voltaiche per ottenere tensioni elettriche piuttosto elevate e un galvanometro, strumento - costruito per la prima volta da Ampère - che consente di misurare le correnti elettriche mediante la deviazione prodotta su un ago magnetico: usando conduttori di diverse lunghezze e di diverse sezioni, fatti di materiali diversi, Ohm trovò che l’intensità della cor­rente è proporzionale alla sezione del filo, inversamente proporzionale alla lunghezza e dipende dalla natura del materiale di cui è fatto il filo; l’intensità di corrente è inoltre, per un dato materiale, propor­zionale alla differenza di potenziale elettrico esistente fra gli estremi della serie di pile voltaiche usate quali generatori di corrente. La si­tuazione è analoga a quella che si verifica allorché si pompa acqua attraverso un tubo entro il quale sia sistemato del materiale poroso che si oppone al passaggio del liquido. In questo caso l’intensità della corrente d’acqua aumenta con la pressione esercitata dalla pompa e con la sezione trasversale del tubo, diminuisce con la lun­ghezza del tubo e dipende dalla natura e dalla quantità del materiale poroso in esso contenuto. Così Ohm introdusse il concetto di resistenza elettrica dei diversi conduttori, affermando che l’intensità di corrente è direttamente pro­porzionale alla differenza di potenziale elettrico che la genera e in­versamente proporzionale alla resistenza del conduttore il quale, a sua volta, è direttamente proporzionale alla lunghezza e inversa­mente proporzionale alla sezione, secondo una costante di proporzio­nalità C dipendente dalla natura del materiale del conduttore. Egli pubblicò i risultati delle sue ricerche nel 1827 in un articolo intitolato L’analisi matematica dei circuiti galvanici, che costituì la base di tutti i successivi studi sui circuiti elettrici. L’unità di resistenza elettrica è chiamata ohm dal nome del suo sco­pritore; 1 ohm è la resistenza che consente il passaggio di una cor­rente di 1 ampere sotto una differenza di potenziale elettrico di 1 volt. Talvolta, invece della resistenza elettrica, si parla della conduttività elettrica, che ne è l’inverso. Con una certa proprietà l’unità di condut­tività si chiama mho, cioè l’inverso dell’ohm.

Le scoperte di Faraday

 

Michael Faraday, che portò all’apoteosi la ricerca classica sui fenomeni elettrici e magnetici e col quale ebbe inizio 1’era della fisica moderna, nacque nel 1791 vicino a Londra; suo padre era ma­niscalco. La famiglia era troppo povera per mantenerlo agli studi e a tredici anni egli divenne garzone nella libreria di un certo Mr. Ribeau; l’anno successivo Mr. Ribeau lo assunse in qualità di ap­prendista rilegatore di libri per un periodo di sette anni. Faraday però non si limitava a rilegare i libri dei clienti, ma ne leggeva molti dalla prima all’ultima pagina, aumentando in tal modo il suo baga­glio culturale e il suo ardente desiderio di potersi dedicare alla ri­cerca scientifica. Faraday così racconta della sua gioventù:

“Mentre lavoravo in qualità di apprendista sfogliavo tutti i libri scientifici che mi capitavano tra le mani e fra tutti mi interessavano particolarmente le Conver­sazioni di chimica di Marcet e le trattazioni di elettricità dell’Enciclopledia bri­tannica. Ho eseguito qualche esperimento piuttosto semplice e poco costoso, non più di qualche penny la settimana, e ho anche costruito una macchina elettrica prima con una ampolla di vetro e poi con un cilindro e altri apparati elettrici dello stesso tipo.”

Durante gli ultimi anni del suo apprendistato, quando aveva poco più di 20 anni (quando cioè le scoperte di Volta e di Galvani erano ancora all’ordine del giorno) egli scrisse all’amico Benjamin Abbot:

“Ultimamente ho eseguito un semplice esperimento galvanico allo scopo di chiarire a me stesso i principi fondamentali di tale scienza. Mi sono recato dal Conte per avere del nichel, ma mi dissero di avere solo dello zinco malleabile: decisi di acquistarne un poco. Ne hai mai visto? La prima porzione che ottenni era in sottilissime strisce, nota bene, appiattite, ma mi è stato detto che era suf­ficientemente sottile per il bastone elettrico, o, come io lo avevo chiamato, la co­lonna elettrica di De Luc. Ne volevo fare dei dischi per costruirmi, insieme ad altri dischi di rame, una piccola batteria. La prima che riuscii a costruire conteneva l’enorme numero di 7 coppie di lastre!!! ciascuna delle enormi dimensioni della moneta da mezzo penny!Iio stesso ho tagliato 7 dischi della grandezza della moneta da mezzo penny ciascuno, li ho coperti con 7 monete da mezzo penny e tra l’uno e l’altro di essi ho interposto dei pezzetti di cartone imbevuti di una soluzione di muriato di soda!!! Ma non ridere, caro A.; piuttosto meravigliati della potenza sviluppata da questo strumento. Esso era già capace di decomporre il solfato di magnesio e, sinceramente, questo fatto mi ha stupito, sebbene non fossi in grado di indivi­duare l’agente responsabile dell’effetto. Allora mi venne un’idea. Senti un po’: ho collegato entrambi i poli di una pila con una soluzione di solfato di magnesio mediante un filo di rame. Ci crederesti che fu il rame a decomporre il solfato, o perlomeno la parte di rame immersa nella soluzione? Che si trattasse di un ef­fetto galvanico sono certo, poiché entrambi i fili si coprirono in breve tempo di bolle di gas e un getto continuo di minutissime bollicine, dall’aspetto di particelle, usciva dalla soluzione lungo il filo negativo. La prova che il solfato venisse decom­posto l’ebbi dopo un paio d’ore: la soluzione diventò torbida, prova evidente che il magnesio era disciolto in essa.

In questo modo Faraday aveva scoperto la decomposizione chimica mediante corrente elettrica, o come egli stesso la chia­mò, 1’elettrolisi. Scoperta 1’elettrolisi, Faraday dovette cercarsi un lavoro, poiché la sua posizione nella libreria si faceva sempre più preoccupante. La sua massima aspirazione era quella di lavorare con Sir Humphry Davy, il famoso chimico le cui lezioni Faraday aveva seguito durante il suo apprendistato; egli decise allora di ricopiare gli appunti presi durante le lezioni di Davy in stile calligrafico, di corredarli con di­segni eseguiti alla perfezione e di inviare l’elegante volumetto a Sir Humphry, accompagnandolo con una richiesta di lavoro nel laboratorio. Quando Davy chiese il parere di uno dei direttori dell’Istituto Reale di Gran Bretagna, di cui egli era il presidente, di un’eventuale assunzione di un giovane rilegatore, costui gli suggerì: “ Fategli lavare le provette! Se è un tipo in gamba accetterà il se è un buono a nulla lo rifiuterà “Faraday accettò e rimase all’Istituto Reale per i rimanenti 45anni della sua vita, dapprima come assistente di Davy, poi come suo col­laboratore e infine, dopo la sua morte, come suosuccessore. Oltre alle sue numerose pubblicazioni suriviste scientifiche, il do­cumento più interessante relativo alle sue ricerche è il Diario, scritto dal 1820 al 1862e pubblicato dall’Istituto Reale nel 1932in sette grossi volumi, per un totale di 3236pagine e qualche migliaio di di­segni. Nelle pagine del Diario è contenuta la descrizione di quella che, a detta di tutti i fisici, fu la sua più importante scoperta: il passaggio di corrente in una spira può indurre una cor­rente in un’altra spira posta nelle vicinanze della prima, nello stesso modo come un conduttore carico induce una carica di polarizzazione elettrica su un corpo posto nelle vicinanze. Mentre però, nel caso della polarizzazione elettrica, l’effetto è statico e dura fintantoché i due corpi restano uno vicino all’altro, l’induzione della corrente elettri­ca è un processo dinamico e la corrente nella seconda spira si ha solo quando la corrente nella prima passa da zero al valore massimo o viceversa

Faraday, convinto dell’esistenza di profondi legami reciproci fra, tutti i fenomeni esistenti in natura, aveva tentato di trovare una re­lazione tra le forze elettromagnetiche e le forze di gravità di Newton. Nel suo Diario di laboratorio nel 1849 è scritto

Gravità. Certamente questa forza deve avere qualche connessione sperimentale con l’elettricità, il magnetismo e altre forze, in modo da interagire con esse con azioni reciproche ed effetti identici. Pensiamo un poco al modo di organizzare una raccolta di prove concrete e di esperienze in questo senso.

Ma i numerosi esperimenti eseguiti alla ricerca della suddetta re­lazione furono tutti infruttuosi e lo stesso Faraday conclude così quella parte del suo Diario:

Qui finisce per il momento la mia fatica: i risultati sono negativi, ma essi non scuotono minimamente la mia profonda convinzione dell’esistenza di una rela­zione tra la gravità e l’elettricità, anche se non sono riuscito a dimostrarla.

Un secolo più tardi un altro genio riprenderà il problema nel dif­ficilissimo tentativo di sviluppare la cosiddetta ‘teoria unificata dei campi’, che avrebbe dovuto riunire in un unico assetto tutti i fe­nomeni gravitazionali e quelli elettromagnetici; ma, come Faraday, anche Albert Einstein mori senza avere raggiunto il suo scopo.

 

Il campo elettromagnetico

 

I più che notevoli risultati sperimentali di Faraday non erano so­stenuti da una altrettanto valida enunciazione teorica: avendo rice­vuto una scarsa istruzione e non conoscendo quasi nulla della ma­tematica, Faraday non poteva certo essere quello che si chiama oggi un fisico teorico. Tuttavia non va dimenticato che spesso, per in­quadrare teoricamente un fenomeno fisico, una troppo profonda conoscenza della matematica si rivela inutile o addirittura dannosa; il ricercatore può facilmente smarrirsi nella giungla delle formule complicate e, per dirla con un proverbio russo, non vede la foresta perché ci sono gli alberi.

Prima di Faraday si pensava che le forze elettriche, magnetiche e gravitazionali agissero solo nel vuoto che separava gli oggetti inte­ragenti. Alla sua mente semplice, tuttavia, una tale azione a distanza non pareva avere un chiaro significato fisico e anche noi, se vediamo un carico che si muove da un luogo all’altro, desideriamo scorgere la fune che lo trascina o la leva che lo solleva. Per poter dunque vi­sualizzare le forze agenti tra le cariche elettriche e i magneti, Fa­raday dovette pensare a ‘qualche cosa’ che riempisse lo spazio inter­medio e che trasmettesse le forze: a tale proposito egli parlò­ di qualcosa di simile a tubi di gomma che congiungono due cariche elettriche o due poli magnetici opposti e li attirano. Nel caso di cariche o di poli dello stesso segno, questi tubi funzionano in modo opposto e tendono ad allontanarli. La direzione dei tubi di Faraday_ può essere messa praticamente in evidenza spargendo un po’ di limatura di ferro su una lastra di vetro, appoggiata su un magnete. I frammenti di limatura si magnetizzeranno e si orien­teranno nella direzione delle linee di forza magnetica ché agiscono tangenzialmente ai tubi.

Una visualizzazione dei tubi di Faraday nel campo elettrico è più complessa e difficile da realizzare. Secondo Faraday i tubi elettrici e magnetici erano responsabili anche dei vari fenomeni elettromagne­tici: quando una corrente elettrica attraversa un conduttore, questo vien circondato da tubi circolari  che esercitano una certa azione su un ago magnetico, orientandolo in modo opportuno. Quan­do un conduttore si muove rispetto a un magnete (o viceversa) esso attraversa i tubi magnetici e, come risultato, nel suo inter­no nasce una corrente indotta.

Le idee di Faraday erano, in un certo senso, piuttosto sempli­cistiche e solo qualitative, ma si può dire che esse abbiano aperto una nuova era nello sviluppo della fisica. Le forze misteriose agenti a grandi distanze tra i corpi furono sostituite nella teoria con ‘qual­che cosa’ distribuito in modo continuo e uniforme in tutto lo spazio circostante, un ‘qualche cosa’ cui si poteva attribuire un valore ben definito in ogni punto. Così si introdusse nella fisica il concetto di ‘campo di forze’ o semplicemente di ‘campo’, sia esso elettrico, ma­gnetico o gravitazionale. Le forze agenti tra oggetti materiali posti nel vuoto possono ora considerarsi il risultato di interazioni a breve distanza tra i ‘campi’ circostanti.

Il compito di tradurre in termini matematici queste brillanti idee di Faraday toccò a un famoso matematico scozzese, James Clerk Maxwell, nato a Edimburgo un paio di mesi dopo che_ Fa­raday aveva annunciato al mondo la scoperta dell’induzione elettromagnetica. Maxwell, contrariamente a Faraday, fu un brillante ma­tematico; all’età di dieci anni frequentò una scuola dell’Accademia di Edimburgo, dove fu costretto a dedicare molto del suo tempo allo studio dei verbi irregolari greci e di altri rami delle discipline umanisti­che, mentre egli avrebbe preferito studiare la matematica. In questo campo i suoi primi successi furono, secondo le sue stesse parole, “l’es­sere riuscito a costruire un tetraedro, un dodecaedro e altri due edri di cui non ricordo il nome “. Quattordicenne ricevette dall’Accademia una medaglia per un saggio in cui si spiegava il modo di disegnare un ovale perfetto servendosi solo di spilli e di spago. Qualche anno dopo Maxwell presentò alla Royal Societydue lavori, uno Sulla teoria delle curve di rotolamento e l’altro Sull’equilibrio dei corpi elastici. Entrambi i lavori furono letti da qualcun altro ai membri della Royal Society, poiché « non era opportuno che un ragazzino in giac­chetta rigonfia salisse sul podio in quell’aula ».

Nel 1850, a 19 anni, Maxwell si iscrisse all’Università di Cambridge, ove si laureò in quattro anni e, nel 1856, gli fu assegnata la cattedra di filosofia naturale del Collegio Marischal di Aberdeen, dove rimase fino al 1874, quando fu richiamato a Cambridge quale direttore del Laboratorio Cavendish, edificato da poco.

Sebbene l’interesse di Maxwell fosse quasi esclusivamente rivolto al campo della matematica pura, ben presto egli si dedicò all’appli­cazione dei metodi matematici a vari problemi di fisica. Davvero ­notevole fu il suo contributo alla teoria cinetica del calore, ma la sua opera di gran lunga più importante fu la for­mulazione matematica delle idee di Faraday sulla natura e le leggi del campo elettromagnetico. Generalizzando il fatto sperimentale che i campi magnetici variabili inducevano forze elettromotrici e corren­ti elettriche nei conduttori, mentre i campi elettrici variabili e le correnti elettriche in movimento generavano campi magnetici, egli fu capace di ricavare le famose equazioni che portano oggi il suo nome e che collegano la velocità di variazione del campo magneti­co con la distribuzione del campo elettrico nello spazio, e viceversa. Dalle equazioni di Maxwell, una volta nota la distribuzione di corpi magnetizzati, di cariche elettriche e di correnti elettriche in una certa regione dello .spazio, si può calcolare in ogni particolare l’andamento delle linee di forza del campo elettromagnetico in quella regione e dedurne le variazioni nel tempo. Maxwell inoltre dimostrò che, sebbene i campi elettrici e i campi magnetici siano solitamente ‘ancorati’ ai corpi elettricamente cari­chi o ai corpi magnetizzati, essi possono esistere e propagarsi nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche libere. Per chiarire quest’affermazione consideriamo due conduttori sferici, uno carico positivamente e l’altro negativamente. Nello spazio circo­stante esiste un campo elettrico statico che accumula l’energia delle cariche elettriche più o meno allo stesso modo come una molla forte­mente compressa accumula energia meccanica. Se colleghiamo tra di loro le due sfere con due fili metallici, si avrà un flusso di cariche dall’una all’altra e in breve tempo le loro cariche elettriche e il campo elettrico che le circonda diminuiranno, fino a scomparire. Tuttavia la corrente elettrica che fluisce nei due fili genera un campo magnetico e, all’istante in cui cessa il passaggio di tale cor­rente tra le due sfere, tutta l’energia del sistema è immagazzinata sotto forma di energia del campo magnetico.

Il processo però non si arresta così: la corrente elettrica continua a fluire nel filo con intensità minore e ricarica le due sfere con elettri­cità di segni opposti . L’energia del campo magnetico si trasforma dunque interamente in energia del campo elettrico e alla fine vi sarà un istante in cui non passa corrente nel circuito e le due sfere sono cariche come all’inizio dell’esperienza, ma con cariche elet­triche di segno opposto. A questo punto il processo ricomincia in direzione contraria: si hanno cioè le cosiddette oscillazioni elettriche che si trasmettono dall’una all’altra sfera perdendo gradualmente energia nel riscalda­mento del filo, fino a cessare del tutto.

La situazione è molto simile a quella di un pendolo, nel quale l’energia cinetica del movimento in ogni oscillazione si trasforma in energia potenziale ai due punti estremi raggiunti durante le oscillazioni. Maxwell fu in grado di dimostrare mediante le sue equazioni che il campo elettromagnetico oscillante del tipo sopra descritto si propaga nello spazio sotto forma di onde che trasportano energia. Poiché le linee di forza del campo elettrico stanno in un piano con­tenente il filo metallico, mentre le linee di forza magnetiche sono perpendicolari a esso, i vettori elettrico e magnetico sono perpendi­colari tra loro e alla direzione di propagazione dell’onda. L’esistenza di tali onde fu confermata sperimentalmente nel 1888 dal fisico tedesco Heinrich. Hertz poco dopo la pubblicazione dell’articolo di Maxwell: questo fatto portò allo sviluppo della tecnica delle comunicazioni radio, che rappresenta uno dei più importanti rami della civiltà industriale.

 

 

Magnetismo

 

• Il magnetismo è la parte dell'elettromagnetismo che studia i campi magnetici. Per fenomeni stazionari si vuole parlare di magnetostatica che presenta alcune analogie formali con l'elettrostatica allorché si sostituiscano alle distribuzioni di carica elettrica le densità di corrente elettrica. Per fenomeni tempo-dipendenti i campi elettrici e magnetici si influenzano a vicenda ed è necessario ricorrere ad una descrizione unificata dei due campi ottenuta nel 1864 dallo scienziato britannico James Clerk Maxwell. Particolarmente rilevante è il fenomeno dell'esistenza di un magnetismo terrestre. Il nostro pianeta presenta infatti un debole magnetismo (circa 0.5 gauss) con distribuzione del campo grosso modo equivalente a quella generata da un dipolo magnetico disposto lungo la direttrice Polo Nord - Polo Sud. Il Polo Nord magnetico è spostato di circa 1000 km da quello geografico e si trova in territorio canadese. La definizione di poli nord e sud è legata alla proprietà di un ago magnetico libero di ruotare senza attriti attorno al suo baricentro di disporsi lungo le linee del suddetto campo di forze. Pertanto definendo il polo magnetico tipo "nord" (cfr. seguito) quello dell'ago della bussola che si rivolge a Nord ne segue che il polo Nord terrestre è in realtà un polo Sud magnetico e viceversa.

 

Magnetismo e elettromagnetismo

 

 

Magnetismo e Materiali Magnetici

 

 

Diversi secoli prima di Cristo, la scoperta della particolare proprietà di alcuni minerali come le ferriti (MO·Fe2O3, M = elemento metallico Fe, Mn, Zn, Sr, …), in grado di attrarre minerali di ferro, portò l’uomo a relazionarsi per la prima volta con quell’insieme di fenomeni naturali, tra i più antichi conosciuti nella storia della scienza, che rientrano oggi sotto la definizione generica di magnetismo. Già gli antichi Greci nel V secolo a.C. avevano osservato che alcune pietre “speciali” manifestavano la capacità di attrarre piccoli frammenti di ferro in corrispondenza delle loro estremità. Questi minerali furono fin da quei tempi chiamati generalmente magnetite, dal nome della regione greca in cui se ne trovava con particolare abbondanza e da cui venivano estratti: la Magnesia. Il passo successivo nella comprensione dell’elettromagnetismo fu accorgersi che gli “aghi magnetici” liberi di ruotare si orientavano naturalmente lungo l’asse Nord-Sud. Questo, con riferimento anche alla loro forma allungata, valse loro il nome di “aghi calamitati” o calamite (da calamus = canna) per la capacità di attrazione paragonata a quella della canna da pesca nella cattura della preda. In Occidente il primo cenno storico sull’uso di un ago calamitato per la navigazione è del XII secolo, in un poema francese del 1125 nel quale si parla della “bussola” come strumento ormai noto: questo riferimento farebbe cadere il merito prioritario per l’introduzione della bussola in Occidente a lungo attribuito a Flavio Gioia di Amalfi (XIV secolo).

Un primo rapporto sistematico sullo studio dei fenomeni magnetici è contenuto nella famosa epistola “De magnete” di Pietro Peregrino da Maricourt (1269). In seguito, nel XVI secolo, William Gilbert (1544-1603) nel "De Magnete”, uno dei primi e più importanti studi scientifici relativi al magnetismo, ipotizzò per la prima volta che la Terra stessa fosse un enorme magnete: "Magnus magnes ipse est globus terrestris”. Egli mise chiaramente in evidenza sia l’esistenza dei due poli di natura differente (Nord e Sud) in grado di attrarsi o di respingersi se di eguale segno, sia l’impossibilità di separarli. I due poli terrestri divennero facilmente riconoscibili, in quanto si poteva sfruttare il fatto che la Terra si comportasse come un grande magnete in grado di orientare parallelamente alla direzione Nord-Sud gli aghi delle bussole; si scelse di chiamare “Nord” della calamita il polo che volgeva verso il Nord terrestre, senza preoccuparsi del fatto che questa scelta fosse in contraddizione con la proprietà prima ricordata che “poli di uguale segno si respingono”.

 

 

 

Nonostante siano tanto antiche le prime rudimentali e intuitive considerazioni e applicazioni riguardanti la “forza magnetica”, tali fenomeni furono sistematicamente codificati in leggi fisiche solo negli ultimi due secoli. Durante tutto il XVIII secolo, oltre agli studi sui fenomeni elettrici, si svilupparono numerose osservazioni e misure sul magnetismo, benché la fenomenologia legata al comportamento magnetico della materia apparisse ancora complessa, quasi misteriosa, e comunque non riconducibile ad alcuna teoria: in ogni caso i due campi di ricerca (correnti elettriche e magnetismo) non evidenziavano all’epoca, alcuna connessione, anzi si arrivò a dichiarare che erano sicuramente indipendenti. Solo la disponibilità di flussi continui di cariche elettriche (la “corrente elettrica”), resa possibile dalla pila di Volta, permisero di rivedere le posizioni teoriche in questo campo. Agli inizi del XIX secolo l’idea che i fenomeni elettrici e magnetici dovessero essere in qualche modo connessi si stava diffondendo, l’evidenza sperimentale, però, si riduceva all’osservazione occasionale della magnetizzazione indotta dal fulmine o dalle scariche elettriche. Tale magnetizzazione appariva anche legata al magnetismo terrestre ed effetti simili alla magnetizzazione indotta fra magneti si potevano ottenere anche con la percussione durante la fucinatura del metallo, cosicché il ruolo dei vari agenti risultava tutt’altro che chiaro. L’interesse scientifico fu risvegliato dopo la pubblicazione, nel 1820, di un lavoro del fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851), professore al politecnico di Copenhagen, persuaso, come molti altri scienziati di cultura nordica, che tutte le forze e azioni esistenti in natura dovevano in qualche modo essere imparentate e derivare l’una dall’altra. Oersted inseguiva da anni l’idea che dovesse esistere una relazione tra magnetismo ed elettricità, tanto che già nel 1813 aveva scritto “andrebbe verificato se l’elettricità nella sua forma più latente ha una qualche influenza sul magnete in quanto tale”, ma avrebbe dovuto lasciar maturare la sua idea per anni prima di poterla verificare sperimentalmente. Oersted scrisse retrospettivamente: “A quei tempi il modo di procedere in questi esperimenti non mi era per nulla chiaro”. Egli era convinto che “così come un corpo soggetto ad una corrente elettrica molto forte emette in modo persistente nel tempo luce e calore, così, in modo analogo potesse emettere l’effetto magnetico”, preparò quindi un sottile filo conduttore, capace di arroventarsi sotto l’influsso della corrente ed emettere luce e calore, da collegare ai capi di una batteria voltaica. Dopo alcuni tentativi a vuoto, provò a porre il filo conduttore parallelo all’ago magnetico: contrariamente alla previsione dei più, quando il circuito fu chiuso l’ago ruotò tendendo a disporsi perpendicolarmente al filo. Invertendo la direzione della corrente, l’ago ruotava ugualmente ma in verso opposto; l’ago magnetico risentiva del passaggio della corrente elettrica deviando dalla direzione originaria, senza essere attirato o respinto. Oersted, inoltre, si rese conto che l’entità dell’effetto di deviazione cresceva con l’intensità della corrente ovvero, nel suo linguaggio: “con la violenza del conflitto tra le due elettricità opposte”. Riassunse i suoi risultati in un foglio di due pagine in latino “Experimenta circa effectum conflictus electrici in vacuum magneticum”, che alla fine del luglio 1820, fu spedito a tutti gli studiosi europei interessati.

Gli addetti ai lavori dovettero accettare che corrente elettrica e magnetismo non erano indipendenti. L’esperienza di Oersted portava all’assunto secondo cui un campo magnetico si genera in presenza di cariche elettriche in movimento. Dunque, al problema di comprendere l’origine del magnetismo nei corpi si aggiungeva la difficoltà di illustrare i rapporti tra elettricità e fenomeni magnetici.

Dopo aver ascoltato la lettura della memoria di Oersted all’Académie des Sciences di Parigi nel 1820, accettando l’evidenza sperimentale, André Marie Ampère (1775-1836) abbandonò le sue precedenti convinzioni per elaborare una teoria matematica che giustificasse l’esperienza di Oersted, intuendo che le proprietà magnetiche della materia potessero essere considerate l’effetto delle “correnti elettriche circolanti” al suo interno. Era questa un’ipotesi non osservabile empiricamente che a lungo fu circondata da perplessità e scetticismo, tuttavia, contribuì a gettare le basi per poter considerare la materia come un sistema organizzato di nuclei atomici e di elettroni, cioè di particelle cariche in movimento.

Solo agli inizi del secolo scorso, con l’avvento della meccanica quantistica e lo sviluppo della fisica atomica si riuscì ad interpretare l’elettromagnetismo in modo organico e soddisfacente. Attraverso gli studi di Michael Faraday (1791-1867), uno dei maggiori scienziati sperimentali di tutti i tempi, cominciò a chiarirsi parte della fenomenologia elettrica e magnetica. Basandosi sulle riflessioni di Faraday, James Clerk Maxwell (1831-1879) giunse, infine, attraverso l’introduzione del concetto di campo a una trattazione matematica dei fenomeni elettromagnetici di portata pari a quella che Newton aveva raggiunto circa centocinquanta anni prima nel campo della meccanica.

 

 

2.1 Il Magnetismo

 

Abbiamo visto che un campo magnetico è generato da cariche elettriche in moto; questo fenomeno è rilevabile sia a livello macroscopico, come nel caso di un conduttore percorso da corrente, sia a livello microscopico, considerando il momento magnetico associato al moto orbitale (ms) e il momento magnetico di  spin degli elettroni (ml)nei materiali magnetici, ovvero: il momento magnetico risultante di un atomo dipende dal numero e dalla disposizione dei suoi elettroni all’interno degli orbitali. Per ottenere il momento magnetico totale dell’atomo, occorre sommare i momenti magnetici degli elettroni, tenendo in considerazione il fatto che la direzione di ogni momento è data dalla combinazione dei segni di ml e ms. è possibile osservare allora che:

• gli atomi con livelli atomici completi, che hanno un numero uguale di elettroni con valore di ml e ms positivo e negativo, non mostrano momento magnetico perché ogni contributo viene annullato da un altro contributo di pari intensità ma di segno opposto;
• solo strutture atomiche con livelli elettronici incompleti mostrano un momento magnetico.

Poiché negli atomi isolati gli elettroni di valenza formano una struttura incompleta, dovremmo aspettarci che tutti gli atomi liberi, tranne quelli dei gas rari, mostrino proprietà magnetiche. Quando si considerano i solidi, a causa delle interazioni di legame osserviamo pochi materiali in grado di mantenere un momento magnetico a temperatura ambiente, mentre a temperature inferiori a 0 °C molti materiali incominciano a presentare proprietà ferromagnetiche, anche molto intense. A temperatura ambiente tutti i materiali magnetici contengono almeno un elemento di transizione, il quale possiede orbitali di tipo d fortemente orientati, non completamente riempiti, con elettroni spaiati. Questi orbitali, se non intervengono nella costituzione di legami nel solido, sono origine di forti effetti paramagnetici. Quando le distanze interatomiche sono tali da permettere l’interazione di scambio si producono effetti ferromagnetici marcati: questo suggerisce che il livello incompleto sia quello che fornisce il principale contributo al momento magnetico atomico.

Affinché il campo magnetico possa essere assunto come grandezza fisica, occorre darne una definizione operativa, occorre, cioè, trovare un metodo per definirne le proprietà sperimentalmente. Macroscopicamente, tale obiettivo può essere raggiunto attraverso la forza F (si veda l’equazione 2.1) che, in presenza di un campo magnetico, H, agisce nel vuoto su una carica q in movimento con velocità v:

Nell’equazione 2.1 µ0 è la permeabilità magnetica del vuoto, cheindica la facilità di propagazione del flusso magnetico nel vuoto e vale nel SI (Sistema internazionale delle unità di misura) 4π*10-7 Hr/m (Hr = Henry=Volt·s·A-1); la notazione vettoriale esprime il fatto che la forza agisce perpendicolarmente alla velocità ed alle linee di forza del campo magnetico. L’equazione 2.1 è detta anche legge di Lorentz e permette, ad esempio, di affermare che una particella carica in moto soggetta ad un campo magnetico costante compie una traiettoria circolare; attraverso la legge di Lorentz, nota la velocità v della particella e valutando il raggio di curvatura della traiettoria è possibile determinare direzione e intensità del campo magnetico, H. Secondo il SI, l’unità per la misura di H è l’Ampere su metro (A/m).

A livello microscopico, per una trattazione corretta del magnetismo occorrerebbe utilizzare i concetti della meccanica quantistica. Tuttavia, almeno in prima approssimazione si può fare riferimento ad un modello atomico classico, considerando solo le orbite che gli elettroni percorrono sotto l’azione del campo centrale dei nuclei; questi ultimi, sono considerati immobili e ininfluenti per la produzione del campo magnetico. In base a tale modello intuitivo (Fig. 2) , possiamo trattare le orbite elettroniche come spire circolari di raggio r, percorse da una corrente i (; e e ω sono rispettivamente la carica dell’elettrone e il modulo della sua velocità angolare). All’orbita elettronica, pertanto, può associarsi un momento magnetico m = i · a (a = area sottesa dall’orbita).  Ilmomento magnetico di ogni singolo elettrone è quindi pari a:

 

                                                          eq.    (2.2) 

                                                                   

Nella materia allo stato solido le orbite elettroniche di atomi adiacenti possono essere assimilabili a un insieme di spire elementari, di area dA, ciascuna caratterizzata da un proprio momento di dipolo, dm = dA·i, in grado di generare un campo magnetico, H, per unità di volume, V, pari a:

 

 

 

 

 

Intuitivamente, si può ricavare il valore del momento magnetico di un corpo esteso, considerandolo come un insieme di dipoli e osservando che i contributi delle correnti adiacenti all’interno del materiale si elidono vicendevolmente in quanto antiparallele, poiché, in una regione uniformemente magnetizzata, tutte le correnti ruotano nello stesso verso. L’unica regione del corpo dove non avvengono tali annullamenti reciproci è la superficie esterna; il momento magnetico totaledi un corpo può allora essere considerato pari alla sommatoria dei singoli momenti atomici o al campo generato da un’unica spira di corrente che avvolge la sezione considerata

 

m = i·n·S=∑ i·a                                                       eq. (2.4)

 

L’equazione 2.4 tiene conto dei contributi di tutti i dipoli: n è il numero di atomi disposti entro l’area della sezione, S, del corpo considerata; il prodotto i·n si misura in Ampere (A). Essendo il momento magnetico totale proporzionale al volume, è possibile definire l’intensità di magnetizzazione,M, (momento magnetico per unità di volume) come:

 

M =  =                                                      eq. (2.5)

 

 

L’induzione magnetica,B, ovvero la densità di flusso magnetico che attraversa un corpo magnetizzato, è uguale al prodotto tra l’intensità di magnetizzazione e la permeabilità magnetica nel vuoto µo:

 

 

L’unità di misura dell’induzione, adottata dal SI, è il Tesla (T); un Tesla è l’induzione magnetica di un campo che agisce con la forza di 1 Newton su una carica di 1 Coulomb che si muove alla velocità di 1 m/s (). Questa unità di misura è piuttosto grande, normalmente si usano sottomultipli di T (mT, mT, nT) o, soprattutto negli USA, il Gauss (G), unità di misura dell’induzione magnetica nel sistema c.g.s. (1 G = 10-4 T). Secondo quanto riportato sopra, si può dimostrare che il campo magnetico Hi generato dalle correnti superficiali all’interno del materiale è pari ad M (Hi = M); inoltre se è applicato un campo magnetico esterno, H, la densità di flusso magnetico (o induzione, B) risulterà uguale a

 

 

B = µo ·(M+H)                                                       eq. (2.7)

 

 

 Il vettore B viene anche definito come segue: B = µoM+µoH. Dove il termine µ0M è denominato polarizzazione magnetica, I, ed ha come unità di misura la medesima dell’induzione magnetica [I = µ0M ] (T). In assenza di un campo magnetico esterno, l’induzione (B = µ0M) ha linee di campo solenoidali, ovvero le linee del flusso magnetico compiono circuiti chiusi che non hanno una zona di origine né di termine.

Una grandezza importante per definire le proprietà magnetiche dei materiali è la suscettività magnetica χ che corrisponde al rapporto tra l’intensità di magnetizzazione e il campo magnetico applicato.

 

χ = eq.(2.8)

La suscettività è adimensionale ed indica quanto una sostanza può essere magnetizzata in presenza di un campo magnetico. Il valore di χ è usato, generalmente per descrivere le diverse classi di materiali magnetici. Nelle sostanze diamagnetiche χ è negativa (χ < 0) mentre è positiva nelle sostanze paramagnetiche (χ> 0) e positiva con elevato valore assoluto nelle sostanze ferromagnetiche (χ>>0). Analogamente, si osserva che la dipendenza dell’induzione di un materiale dal campo H è sintetizzata dalla permeabilità magnetica

 

m = eq.(2.9)                                                                    

 

Se definiamo permeabilità relativa µr, il rapporto µ/µ0, dividendo tutti i termini dell’equazione (2.7) per H risulta:

 

Come conseguenza, la permeabilità relativa µr risulta minore di 1, maggiore di 1 ed estremamente elevata, rispettivamente, nei materiali dia-, para-, e ferromagnetici. Occorre notare che le proprietà magnetiche dei materiali sono dettate non solo dal valore della magnetizzazionema anche da come essa varia in relazione al campo esterno H. Inoltre, poiché i materiali magnetici hanno geometria finita, le linee di flusso del campo creano all’esterno di ogni corpo un campo aggiuntivo di natura conservativa, detto campo smagnetizzante Hd direzionato nel verso opposto rispetto a M. Il campo smagnetizzante, come qualsiasi campo magnetico, interagisce con la magnetizzazione stessa, dando luogo a un termine di energia definito densità di energia magnetostatica.

 

 

Tabella I: schema riassuntivo delle diverse grandezze magnetiche e delle relative unità di misura nel Sistema internazionale (SI) e nel sistema cgs

Grendezze	Simbolo	SI	CGS	Fattori di conversione
Induzione magnetica	B	Tesla (T)	Gauss (G)	1 T = 104 G
Campo magnetico	H	A/m	Oersted (Oe)	1 A/m = 4p /103 Oe
Magnetizzazione	M	A/m	emu/cm3	1 A/m = 10-3 emu/cm3
Magnetizzazione per unità di massa	s	Am2/kg	emu/g	1 Am2/kg = 1 emu/g
Momento magnetico	m	Am2	emu	1 Am2 = 103emu
Suscettività	c	adimensionale	adimensionale	c cgs =c SI/4p
Suscettività per unità di massa	k	m3/kg	emu/Oe·g	1 m3/kg = 103/4p emu/Oe·g
Permeabilità magnetica del vuoto	m0	H/m	adimensionale	m0cgs= m0SI/4π10-7 H/m

 

 

 

2.2 Classificazione dei materiali magnetici

 

Come abbiamo visto in precedenza (§ 2.2) i materiali magnetici sono suddivisibili in tre classi generali: diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici, a seconda del diverso comportamento magnetico assunto in presenza di un campo applicato esterno, esplicitato attraverso il valore della suscettività, c

 

Diamagnetismo

Le sostanze diamagnetiche reagiscono ad un campo esterno (H) manifestando un debole momento magnetico indotto, antiparallelo rispetto ad H, che scompare al venire meno del campo stesso. Sono materiali i cui atomi non presentano un momento magnetico spontaneo in quanto possiedono tutti gli orbitali atomici riempiti o non ci sono elettroni spaiati; in presenza di un campo esterno la loro tendenza è quella di modificare le orbite elettroniche in modo da opporsi alla perturbazione imposta. Il diamagnetismo è un fenomeno intrinseco di tutti i materiali, ma risulta evidente solo quando ferromagnetismo e paramagnetismo non ne mascherano gli effetti. Negli atomi che non presentano momento magnetico intrinseco, questo fenomeno rappresenta l’unico effetto risultante dall’applicazione di un campo esterno, inoltre il momento così indotto risulta indipendente dalla temperatura. Le sostanze diamagnetiche presentano suscettività negativa, piccola, usualmente dell’ordine di 10-6-10-5, e sono contraddistinte da una relazione linearmente inversa tra M e H (Fig. 3). Alcune sostanze diamagnetiche comuni sono: quarzo (SiO2) χ =  - 0.62; Calcite (CaCO3) χ =  - 0.48; acqua  χ =  - 0.90.

 

 

 

 

Paramagnetismo

 

 

 

Paramagnetismo

Gli atomi delle sostanze paramagnetiche sono caratterizzati dal fatto di possedere un momento magnetico dovuto ad elettroni spaiati in orbitali parzialmente riempiti. Anche le sostanze paramagnetiche presentano diamagnetismo, ma l’importanza di questo fenomeno è mascherata dall’effetto di allineamento dei momenti atomici. Le sostanze paramagnetiche presentano una relazione lineare, direttamente proporzionale tra M e H, il valore della loro suscettività è positivo, ridotto, decrescente (a parità di campo) al crescere della temperatura (Fig. 4).

 

Nei materiali paramagnetici la suscettività assume valori dell’ordine di 10 -2 –10-4. Per tali sostanze occorre una dipendenza della suscettività dalla temperatura espressa dalla legge di Curie (eq. 2.11).

 

 

C è un parametro detto costante di Curie. Questa dipendenza dalla temperatura si spiega considerando il materiale come un insieme di momenti magnetici indipendenti, dovuti a ciascun atomo (o molecola) che compone la sostanza. In assenza di un campo applicato i singoli vettori m assumono direzioni casuali a causa dell’agitazione termica, cosicché la magnetizzazione netta risultante è nulla. Tuttavia, se si applica un campo, i momenti magnetici tendono a disporsi lungo la sua stessa direzione, anche se sono contrastati dall’agitazione termica che ne consente una parziale orientazione. È possibile pertanto considerare la legge di Curie come descrittiva del paramagnetismo, valutando l’effetto antagonista di due fenomeni: 1) la tendenza dell’insieme dei momenti magnetici m ad assumere direzione coincidente con quella del campo esterno H; 2) l’agitazione termica degli atomi, che tende ad imprimere una direzione casuale ad ogni momento intrinseco.

Si noti che la legge di Curie si basa sull’assunto che i momenti magnetici degli atomi siano influenzati unicamente dal campo esterno e dall’agitazione termica, non si considera una loro interazione; inoltre quando H = 0 la direzione media dei momenti atomici è casuale ed il momento risultante è nullo. Quando la temperatura è molto bassa (T << 100 K) o il campo molto alto la suscettività paramagnetica è indipendente dal campo applicato. Sotto queste condizioni la suscettività di un materiale è proporzionale al contenuto di ferro. Molti minerali contenenti ferro sono paramagnetici a temperatura ambiente, per esempio:  montmorillonite (argilla)  χ = 13; biotite (silicato) χ =  79; siderite (carbonato)  χ =   100 ; pirite (solfuro) χ =    30. Il paramagnetismo delle matrici minerali può essere significativo se la concentrazione di magnetite è molto bassa.  Altri materiali paramagnetici contengono terre rare, elementi di transizione e attinidi; anche l’ossigeno liquido e l’alluminio sono esempi di sostanze paramagnetiche.

 

Ferromagnetismo

Diversamente dai materiali paramagnetici, i momenti atomici delle sostanze ferromagnetiche hanno fra loro interazioni molto forti. Queste interazioni sono prodotte da forze di scambio tra elettroni, come risultato di un allineamento parallelo o antiparallelo dei momenti atomici. Weiss sviluppando il pensiero di Ampère, nel 1907, postulò che i momenti magnetici interagissero tra loro, suggerendo che tale interazione potesse essere rappresentata da un fittizio campo interno denominato campo molecolare Hm, direttamente proporzionale alla magnetizzazione e di intensità molto elevata (108-109A/m), approssimativamente 100 volte più forte del campo magnetico terrestre. L’interazione fra i diversi momenti elettronici è molto forte e tale da allineare tutti i momenti magnetici elementari del materiale, anche in assenza di un campo esterno. L’origine fisica del campo molecolare introdotto da Weiss, non può essere spiegata secondo una trattazione classica: nel 1928 Heisenberg fornì la dimostrazione teorica, associandola a un fenomeno quantistico legato alle forze di interazione tra spin elettronici adiacenti. Inoltre, perché si possa osservare il fenomeno della magnetizzazione spontanea in una sostanza sono necessarie alcune condizioni:

• gli atomi interessati devono possedere almeno un elettrone spaiato
• questi elettroni devono trovarsi in un orbitale direzionato, come l’orbitale d o f
• deve esserci una distanza interatomica adeguata perché si verifichi l’interazione di scambio ferromagnetica (se gli elettroni sono troppo vicini gli spin di segno uguale si respingono, se sono lontani non si ha interazione).

Grazie all’introduzione del campo molecolare ipotizzato da Weiss fu possibile una versione maggiormente generalizzata della legge di Curie, detta legge di Curie-Weiss:

 

Il termine TC  nell’equazione 2.12 è detto temperatura di Curie. Quando un materiale ferromagnetico subisce un riscaldamento, alla temperatura T > Tc perde le proprietà ferromagnetiche e si  comporta come un  paramagnete.  Questo accade perché l’agitazione termica all’interno del reticolo disturba l’allineamento dei momenti magnetici atomici e, al di sopra della temperatura di Curie, si ha il predominio sulle forze di allineamento dei momenti magnetici, producendo così un effetto di orientazione casuale. Quando la temperatura si mantiene inferiore alla temperatura di Curie, T < Tc, il materiale conserva le proprietà ferromagnetiche. Quando T = Tc la suscettività diverge (si veda l’eq. 2.12).

 

 

Poiché esiste proporzionalità diretta tra la temperatura di Curie e la costante del campo molecolare, Tc fornisce una misura della forza d’interazione tra i momenti magnetici degli atomi. Inoltre, la temperatura di Curie è una proprietà caratteristica di ogni sostanza e può essere utilizzata per una identificazione mineralogica. In natura esistono tre soli elementi ferromagnetici a temperatura ambiente: il ferro (TC = 770°C), il cobalto (TC = 1131°C) e il Nichel (TC = 358°C). 

 

 

Il comportamento di un materiale ferromagnetico sotto l’azione di un campo esterno, oltre che dall’energia di scambio, è regolato dall’equilibrio di diversi altri termini energetici. Il processo di magnetizzazione di un materiale come risposta a un campo applicato, per esempio, è di norma anisotropo, dipende cioè dalla direzione lungo la quale il campo e la magnetizzazione sono rilevate. Si può considerare l’anisotropia come una forza che tende a vincolare il vettore magnetizzazione lungo particolari direzioni; esistono tre tipi fondamentali di anisotropia: 1) cristallina, legata a proprietà intrinseche del materiale; 2) indotta, causata da effetti di riordinamento atomico nella struttura reticolare dovuta a sforzi applicati (ad esempio trattamenti termici applicati sotto tensione meccanica o in presenza di un campo esterno); 3) di forma, determinata dalla geometria del campione in esame. Nel caso dell’anisotropia cristallina vi sono alcuni assi cristallografici definiti direzioni di facile magnetizzazione, determinati dalla simmetria reticolare, lungo i quali il processo di magnetizzazione è favorito; in assenza di campo applicato il vettore magnetizzazione tende a disporsi lungo tali assi, inoltre lungo tali direzioni la saturazione si raggiunge a campi applicati più bassi. Per deviare il vettore M da tali direzioni occorre compiere un lavoro equivalente all’energia di anisotropia magnetocristallina immagazzinata nella struttura del materiale; l’origine di questo genere di anisotropia è da ricondursi al tipo d’interazione che si stabilisce tra gli spin elettronici e gli orbitali dei legami interatomici nei solidi (campo cristallino).

 

Un altro termine energetico entra in gioco quando gli spin si allineano lungo la direzione del campo esterno; grazie all’accoppiamento spin-orbita, anche gli orbitali d o f, responsabili del ferromagnetismo, si orientano. Poiché questi orbitali non possiedono simmetria sferica, si ha come conseguenza una deformazione della struttura, un riarrangiamento delle orbite che comporta una deformazione elastica del materiale. L’effetto magnetostrittivo non è facilmente osservabile macroscopicamente, ma ha un’importanza notevole dal momento che influenza, per esempio, la permeabilità e il processo di magnetizzazione. Analogamente, l’applicazione di uno sforzo meccanico su di un materiale ne modifica la magnetizzazione ed induce un’anisotropia uniassiale (un unico asse di facile magnetizzazione) in direzione solitamente parallela a quella dello sforzo applicato. Allo sforzo meccanico si associa, quindi, una densità di energia detta “magnetoelastica” tale per cui è più semplice magnetizzare il materiale quando questo è compresso se la costante magnetostrittiva è negativa. Al contrario, se la costante magnetostrittiva è positiva, sono le tensioni meccaniche del materiale che definiscono la direzione del vettore magnetizzazione.

Esiste poi l’energia magnetostatica, che trae origine dalla presenza di poli magnetici liberi all’interno o sulla superficie di un materiale ferromagnetico e in corrispondenza di eventuali irregolarità strutturali, imperfezioni o bordi di grano, che determinano localmente una discontinuità del vettore magnetizzazione. Le caratteristiche geometriche costituiscono il fattore essenziale nel determinare il contributo di energia magnetostatica in un corpo ferromagnetico. La presenza di termini magnetostatici fa si che il corpo tenda naturalmente ad allineare la sua magnetizzazione lungo le direzioni che minimizzano l’energia magnetostatica, come nel caso degli aghi delle bussole; si parla in questo caso di anisotropia di forma.

 

Fig. 7: Anisotropia di forma: per  i grani di magnetite più piccoli di 20 micrometri l’anisotropia di forma è quella dominante. In particelle più grandi è, invece meno importante rispetto all’anisotropia magnetocristallina. Per i grani di ematite, a causa del basso valore della magnetizzazione di saturazione, l’anisotropia di forma non è solitamente importante. Per la magnetite oltre la temperatura ambiente, le costanti magnetocristallina e magnetostrittiva diminuiscono sino ad assumere un valore nullo alla temperatura di Curie.

 

Domini magnetici

Oltre all’ipotesi del campo molecolare, Weiss ipotizzò l’esistenza dei domini magnetici, cioè di regioni magneticamente sature e uniformi all’interno del materiale (dimensioni 1-100 micrometri: molto più grandi delle distanze interatomiche), aventi però direzione di magnetizzazione non uniforme l’una rispetto all’altra. In una regione magneticamente satura tutti i momenti magnetici elementari sono collineari e la magnetizzazione media del dominio assume il suo massimo valore M, detto MS = magnetizzazione di saturazione. Lo stesso vale per la polarizzazione I, che corrispondentemente diventa Is =µ0 Ms.

 

Un materiale ferromagnetico non è generalmente magnetizzato a livello macroscopico, in quanto ciascuno dei “domini magnetici” di cui è composto è orientato, in assenza di un campo esterno, in una direzione casuale: l’effetto complessivo è quello di un momento magnetico totale nullo. Un ferromagnete esibisce invece comportamento ferromagnetico anche a livello macroscopico quando è posto sotto l’azione di un campo sufficientemente intenso o quando il materiale viene raffreddato a partire da una temperatura superiore a quella di Curie sotto l’effetto del campo esterno (ad esempio il campo magnetico terrestre). In tali circostanze nel materiale si verifica l’espansione dei domini i cui momenti sono orientati parallelamente, o comunque in direzione favorevole, rispetto alla direzione del campo applicato, a svantaggio dei domini orientati sfavorevolmente, che si contraggono. Come risultato, si ha nel materiale un momento magnetico M intenso, parallelo ad H, proporzionale alla sua intensità e parzialmente permanente anche dopo la rimozione del campo magnetizzante. Le espansioni e le contrazioni dei domini magnetici sono processi reversibili per piccoli valori del campo magnetizzante, mentre per campi più intensi sono di tipo irreversibile, a causa di interazioni tra i momenti magnetici e la struttura del materiale (attriti di parete). La magnetizzazione torna ad essere reversibile per campi molto elevati, quando i fenomeni di magnetizzazione non sono più legati alla variazione dimensionale dei domini, ma diventano dipendenti principalmente dalla rotazione coerente delle orbite elettroniche degli atomi nei domini non orientati favorevolmente.

Come conseguenza nei materiali ferromagnetici non solo la relazione tra M e H è crescente ma non lineare fino al valore di saturazione Ms, anche i processi di magnetizzazione e smagnetizzazione non risultano coincidenti, ma si manifestano accompagnati da isteresi; questo comporta che, al venire meno del campo magnetizzante, rimanga al campione una magnetizzazione residua detta rimanenza magnetica, Mr, dovuta essenzialmente agli “attriti di parete” sopra citati.

Esistono, infine, due tipologie di comportamento magnetico, dette ferrimagnetismo e antiferromagnetismo, particolarmente interessanti per il settore della scienza e tecnologia dei beni culturali, perché tipiche dei minerali magnetici naturali, come la magnetite, l’ematite, la maghemite e la goethite.

Il comportamento ferrimagnetico è tipico delle sostanze costituite principalmente da ferriti (MO·Fe2O3); esse presentano due diversi reticoli (A e B) che hanno allineamento antiparallelo dei momenti di spin. Se le intensità dei momenti magnetici di A e B non sono uguali, il materiale presenta un momento magnetico complessivo non nullo, assumendo un comportamento macroscopico simile a quello delle sostanze ferromagnetiche.

 

 

Il comportamento antiferromagnetico, analogamente, è dovuto alla presenza di due reticoli A e B che presentano momenti magnetici antiparalleli, ma in questo caso con la stessa intensità: il momento magnetico totale in assenza di campo è nullo. In presenza di un campo magnetico esterno, tuttavia, il materiale presenta una debole suscettività positiva e il processo di magnetizzazione è caratterizzato da comportamento isteretico e rimanenza magnetica.

 

 

 

 

                    Tab. II: Principali  naturali con ordinamento ferrimagnetico/antiferromagnetico

 

Minerali	Composizione	Ordine Magnetico	Tc(°C)	Ms (Am2/kg)
Ossidi
Magnetite	Fe3O4	ferrimagnetico	575-585	90-92
Ematite	αFe2O3	antiferromagnetico	675	0.4
Ilmenite	FeTiO2	antiferromagnetico	-233
Magnesioferrite	MgFe2O4	ferrimagnetico	440	21
Solfuri
Pirrhotite	Fe7S8	ferrimagnetico	320	~20
Greigite	Fe3S4	ferrimagnetico	~333	~25
Ossiidrossidi
Goethite	αFeOOH	antiferromagnetico, debolmente ferromagnetico	~120	< 1
Feroxyhyte	dFeOOH	ferrimagnetico	~180	< 10

 

 

 

 

2.3 Cicli di isteresi e relativi parametri magnetici

 

Ciò che caratterizza in prima analisi un materiale ferromagnetico è la dipendenza della sua magnetizzazione dal campo applicato. Per studiare tale peculiarità, si analizza l’andamento della magnetizzazione di un campione sottoposto ad un campo magnetico (Fig. 10).

 

Quando un campione ferromagnetico è sottoposto ad un campo crescente a partire dallo stato H = 0, si ottiene la cosiddetta curva di prima magnetizzazione. Questa può procedere sino ad un valore finito di M, detto magnetizzazione di saturazione MS, corrispondente all’allineamento completo dei momenti magnetici dei diversi domini nella stessa direzione del campo applicato. Supponiamo, una volta raggiunto un certo valore di magnetizzazione, di diminuire il campo H: si osserva che la curva non ripercorre a ritroso lo stesso cammino compiuto durante il percorso di magnetizzazione iniziale. Ci troviamo di fronte ad una curva che presenta due valori di M in corrispondenza di un solo valore di H, tale fenomeno è comunemente detto isteresi, in particolare, nel nostro caso “isteresi magnetica”.

 

Mr, la rimanenza, è il valore che la magnetizzazione assume quando H viene riportato a zero (l’intercetta dell’asse delle ordinate). Da questo punto, invertendo il verso della corrente, il campo magnetico H assume valori negativi crescenti mentre la magnetizzazione M diminuisce. Il punto Hc, definito campo coercitivo, corrisponde al valore che occorre dare al campo magnetico H nella direzione opposta a M affinché M torni a zero. Facendo variare il campo H tra valori estremi simmetrici, si osserva che la curva M (H) percorre un ciclo chiuso. Infine Hcr, il campo coercitivo della rimanenza è un parametro rilevabile sperimentalmente importante per il geomagnetismo, corrispondente al valore del campo da cui la curva di isteresi torna al punto di origine se si interrompe il processo di magnetizzazione e si riporta il campo applicato a zero.

 Il fatto che esista un’isteresi magnetica evidenzia la presenza di meccanismi di dissipazione dell’energia legati al processo di magnetizzazione. È possibile dimostrare che l’energia dissipata per unità di volume nel corso di un ciclo d’isteresi completo è data dall’area del ciclo stesso.

In generale si è soliti classificare i materiali ferromagnetici in “dolci”, basso campo coercitivo (fino a un centinaio di A/m) e alta permeabilità (µr fino a 106), e“duri”, campi coercitivi molto elevati (dell’ordine di 104 A/m, ma anche superiori) e bassa permeabilità. Nei materiali naturali, la forma del ciclo d’isteresi può essere indicativa della composizione mineralogica del campione. I parametri sperimentali ricavabili dal ciclo d’isteresi, infatti, possono fornire indicazioni sulla struttura e sulla dimensione dei grani magnetici in quanto non dipendono solo dalle proprietà intrinseche dei materiali, ma anche dalla temperatura, dall’intensità del campo applicato, dalla struttura dei domini, dalle sollecitazioni subite, dalla dimensione dei grani cristallini e dalla geometria dei materiali.

Minerali ferromagnetici tendono a produrre dei cicli stretti, mentre la presenza di minerali antiferromagnetici rende i cicli più allargati. I cicli ristretti attorno all’origine del diagramma M (H), indicano la presenza di due o più componenti del campo coercitivo, corrispondenti a diverse fasi magnetiche. Campioni con una sola fase magnetica, mostrerebbero cicli generalmente più uniformi. Anche la struttura dei domini incide sulla forma dei cicli d’isteresi: materiali a singolo dominio hanno cicli più allargati rispetto ai materiali a multi dominio. I parametri Mr/Ms e Hc/Hcr, in particolare, sono utilizzati in studi geo-magnetici per capire la struttura a domini dominante nei grani magnetici, nei diversi depositi geologici. Infine, se ad alti campi la curva di magnetizzazione si riduce ad avere un comportamento lineare e reversibile, è ipotizzabile un contributo dovuto alla presenza di minerali paramagnetici.

 

2.4 Comportamento magnetico e dimensione delle particelle

A seconda delle dimensioni dei grani magnetici si possono osservare diversi comportamenti magnetici dei campioni di ossidiana: superparamagnetici (SPM), singolo dominio (SD), pseudo singolo dominio (PSD) e multidominio (MD) (Fig. 11).

 

Esiste, infatti, una dimensione critica dei grani al di sotto della quale una particella si comporta come un singolo dominio. Tali grani alla magnetizzazione di saturazione sono uniformemente magnetizzati.                                                 La dimensione critica  dipende da diversi fattori intrinseci, come la magnetizzazione di saturazione e l’anisotropia magnetocristallina, e fattori estrinseci come la forma dei grani.

L’inversione della magnetizzazione nei grani SD è un processo che richiede alti valori di energia magnetica. Per cambiare la magnetizzazione di grani MD, invece, sono sufficienti bassi valori del campo applicato: essi, infatti, presentano bassi valori sia del campo coercitivo che della rimanenza. 

Quando piccoli grani MD (bassa campo coercitivo) esibiscono anche un comportamento SD (alta rimanenza) si ha un comportamento definito pseudo singolo dominio. Per la magnetite, l’importanza del comportamento PSD è dovuto al fatto che l’intervallo della taglia, tra 0.1-20 μm, copre le dimensioni dei grani che generalmente si trovano nei campioni. L’ematite mostra una risposta SD nella maggior parte delle rocce a causa della forte anisotropia magnetocristallina dovuta alla struttura esagonale della cella elementare.

Le dimensioni delle particelle possono ridursi entro l’intervallo SD sino al raggiungimento di un limite critico inferiore oltre il quale la rimanenza e il campo coercitivo della particella vanno a zero a temperatura ambiente. Quando questo avviene, i grani diventano superparamagnetici. Una particella SD di volume v ha una magnetizzazione uniforme diretta lungo gli assi di facile magnetizzazione. Se v  è sufficientemente piccolo (o la temperatura abbastanza elevata), l’energia termica (kT) è sufficiente per sovrastare l’effetto dell’energia di anisotropia, che tende a separare gli stati di magnetizzazione positivi e negativi, causando una magnetizzazione spontanea e reversibile. Si parla in queste condizioni di comportamento superparamagnetico (SPM). Per le particelle superparamagnetiche, il momento magnetico a campo nullo, sarà in media 0. Applicando un campo, si ha un allineamento dei momenti magnetici che può scomparire all’annullarsi del campo. Questo comportamento è analogo al paramagnetismo, eccetto che il momento magnetico da considerare  non è quello relativo ad ogni singolo atomo, ma quello di una particella SD che contiene, in media, 105 atomi. Per questo motivo i materiali superparamagnetici hanno un valore di suscettività superiore rispetto a quelli paramagnetici.

Proprietà isteretiche  di particelle  SD, PSD, e MD

La forma di un ciclo di isteresi in parte è determinata dal tipo di dominio presente nei materiali analizzati. I cicli dei materiali SD sono tipicamente più larghi di quelli MD in quanto riflettono gli alti valori della rimanenza e del campo coercitivo. I parametri del ciclo d’isteresi e, in particolare, il rapporto Mr/Ms e Hr/Hc, sono utilizzati per distinguere il tipo di dominio: il rapporto  Mr/Ms è un modo definitivo per differenziare particelle SD e MD (si veda Fig. 12). Per i grani SD il valore del rapporto Mr/Ms può essere facilmente calcolato e dipende dal tipo di anisotropia. Per le particelle PSD e MD, il calcolo del rapporto Mr/Ms risulta molto più complesso.

 

 

Le particelle SPM non esibiscono alcuna rimanenza né campo coercitivo. La forma del ciclo di isteresi è per questo motivo estremamente lineare. I grani SPM mostrano inizialmente un rapido aumento della magnetizzazione  in funzione del campo applicato; in seguito al crescere del valore di campo, l’aumento della magnetizzazione è più graduale sino alla saturazione. Infatti, la distribuzione dei grani SD, PSD o MD è fondamentale per gli studi di datazione magnetica. La longevità della memoria magnetica dipende dall’effettiva dimensione dei grani dei minerali ferromagnetici: piccoli grani SD hanno capacità di ritenere una memoria magnetica per milioni di anni; per grani di dimensioni più grandi (MD o PSD), quando è energicamente più efficiente, per la stabilità interna, la divisione in subdommini con direzione di magnetizzazione differente, la capacità di memoria magnetica è meno duratura. Generalmente, grani di magnetite SD hanno dimensioni inferiori a un micrometro a differenza  di quelli MD che superano i 100 micrometri. L’ematite, per le proprietà magnetiche intrinseche, mostra con frequenza una risposta SD. Il rapporto magnetizzazione di rimanenza\saturazione aumenta per i grani di ossidi ferrimagnetici nella sequenza: particelle multidomino (per Fe3O4> 20 micrometri), pseudo singolo dominio, singolo dominio (per Fe3O4 0.03-0.04 micrometri). I grani con dimensioni entro limiti MD-SD, hanno un valore del rapporto magnetizzazione di rimanenza\saturazione intermedio (particelle PSD). Il campo coercitivo Hc è relativamente basso per MD e generalmente cresce con il diminuire delle dimensioni dei grani sino a SD. Il rapporto Hc/Hmax aumenta nella sequenza SD, PSD, MD.

La separazione dei grani SPM da quelli MD, basata sulle proprietà isteretiche, può essere un problema quando si effettuano misure solo a temperatura ambiente. In alcuni casi può essere utile raffreddare i campioni a temperature molto inferiori a 0 °C, per differenziare i due comportamenti. I grani SPM a temperatura ambiente, possono diventare SD a basse temperature ottenendo significativi cambiamenti nei parametri dei cicli. Effettuare misure a temperature diverse evidenzia il contributo SPM . 

 

 

Il Magnetismo

Introduzione

Lo studio del magnetismo è stato per lungo tempo un argomento completamente separato dall’ambito dell’elettricità. In realtà le analogie con il campo elettrico sono particolarmente importanti, anche se le differenze che si vengono a delineare sono altrettanto evidenti. Lo studio comunque dovrà essere condotto sempre parallelamente, di modo da poter cogliere sempre i punti di contatto e altresì poiché il campo elettrico e il campo magnetico sono utilizzati assieme in numerosi dispositivi utilizzati in Fisica.

Questo compendio non pretende di essere esaustivo ma utile per una ripetizione successiva allo studio dell’argomento. Questo compendio è specifico per i Licei Scientifici ad indirizzo P.N.I.

 

Definizione di Campo Magnetico

In natura frequente è stata l’esperienza dell’azione della forza magnetica e dei magneti, ovvero materiali dotati di particolari proprietà tra le quali quella di attrarre altri materiali tipo il ferro. Nei magneti sono identificabili due poli, in corrispondenza delle estremità: il polo positivo (+) o Nord (N) e il polo negativo (-) o Sud (S). Inoltre è possibile creare dei magneti artificiali strofinando una sbarretta magnetizzata con una smagnetizzata; in tale modo vengono prodotti, ad esempio, gli aghi magnetici, strumenti assai importanti per lo studio dei campi magnetici, giacché essi si allineano sempre, per effetto di una coppia di forze che tendono ad avvicinare, attraendole, le polarità opposte. Un magnete infatti genera attorno a se sempre un campo magnetico agente su un altro magnete posto entro una certa regione. Proprio mediante l’utilizzo di aghi magnetici è possibile delimitare tale regione ove si verifica la perturbazione provocata dal summenzionato magnete. Le direzioni assunte da tali aghi saranno quelle che andranno a definire le “linee di forza” del campo. Il campo magnetico è dunque quella parte di spazio ove è apprezzabile la perturbazione che un magnete provoca, localizzabile mediante l’uso di aghi magnetici.

Interazioni corrente elettrica/campo magnetico

Lo studio del campo magnetico non può omettere, come già detto nell’Introduzione, le interazioni che esso ha con i fenomeni elettrici, che rendono in effetti interessante tale studio.

Il vettore  e conduttore immerso nel campo magnetico

Si considerino due espansioni polari di due magneti e immerso nel campo magnetico conseguente un conduttore rettilineo appeso a un dinamometro che giace su un piano perpendicolare a dette espansioni e collegato poi a un circuito elettrico. Se viene fatta passare una corrente elettrica in detto circuito si osserverà un movimento verticale del conduttore immerso nel campo, segnalata da un allungamento o da un accorciamento del dinamometro. La Forza F che viene a sussistere si verificherà che, lasciando inalterate le altre variabili sarà direttamente proporzionale alla lunghezza del conduttore, direttamente proporzionale all’intensità di corrente che passerà nel circuito e sarà massima quando l’angolo α formato da conduttore e linee di forza è di 90° e nullo a 0°, per cui è proporzionale al seno di detto angolo. Risulta perciò:

per eliminare la proporzionalità si introdurrà una costante k = F/(i*l) ovvero

k è in effetti la definizione operativa di quello che è il vettore B detto “vettore di induzione dalle linee di forza, e si misura in Newton/Ampere * metro o, secondo il S.I. negli equivalenti Weber/m2. Il vettore B è tipico del singolo campo magnetico considerato. La forza F avrà direzione perpendicolare sia alle linee di forza sia alla corrente (Regola delle tre dita – l’indice della mano sinistra rivolto nel verso del campo, il medio nel verso della corrente, la direzione del pollice sarà quella della forza). Si osserva inoltre che, considerando l*i una grandezza vettoriale, la relazione diviene forza uguale al prodotto vettoriale tra vettore induzione magnetica (B) e l*i.

Spira immersa in un campo magnetico

Inserendo all’interno di due espansioni come quelle del paragrafo precedente una spira di forma rettangolare di modo che due lati siano posti perpendicolarmente alle linee di forza e gli altri due siano posti su due piani perpendicolari alle espansioni. Si diranno di lunghezza a questi ultimi e di lunghezza b i primi due. Considerando che gli effetti lungo i lati a si elidono a vicenda sui lati b verrà a crearsi una coppia di forze che tenderà a far ruotare tale spira.

Considerando il momento angolare si avrà che:

dove S è la superficie della spira e β è l’angolo per ottenere trigonometricamente d partendo dalla lunghezza del conduttore a ma anche l’angolo formato dalla normale al conduttore con le linee di forza. Si verifica dunque che ponendo S*i come il momento magnetico della spira si avrà che il momento meccanico torcente sarà uguale al prodotto vettoriale tra momento magnetico e vettore induzione, come nel caso degli aghi magnetici. Tale relazione prende il nome di “Teorema di equivalenza di Ampere” che associa il comportamento di aghi magnetici a quello di spire percorse da corrente.

Campo magnetico generato da un conduttore

Considerando un conduttore percorso da corrente, se viene circondato da una serie di aghi magnetici posti su un piano perpendicolare al conduttore stesso si osserva che questi si dispongono lungo le direzione delle circonferenze concentriche nel punto di passaggio del conduttore stesso. Da ciò, e tenuto conto che senza la corrente gli aghi non subiscono alcuna variazione rispetto alla situazione precedente l’inizio dell’esperienza, si deduce che la corrente genera un campo magnetico. Questo risulta direttamente proporzionale all’intensità e inversamente alla distanza dal conduttore stesso. La costante di proporzionalità sarà uguale a μ0/2π.

La relazione finale sarà pertanto:

Interazioni tra due conduttori

Giacché un conduttore attraversato da corrente genera un campo magnetico, due conduttori interagiranno secondo le regole esposte prima giacché le forze tenderanno a far avvicinare i due conduttori se le correnti vanno nello stesso verso,  a respingerli se le correnti vanno in verso opposto. Le relazioni saranno:

A volte può essere utile considerare la forza espressa per unità di misura dividendo ambo i membri per L.

Circuitazione di un campo magnetico

Se si considera la funzione circuitazione del campo magnetico si osserva che, rispetto al campo elettrico, quella del campo magnetico non è sempre 0, per cui il campo magnetico non risulta essere conservativo. Per avere un riscontro (che però non ha valore di dimostrazione, giacché si riferisce a un caso particolare) si può considerare la circuitazione lungo la circonferenza perpendicolare al conduttore e con centro nel punto di passaggio del conduttore stesso:

Il secondo passaggio è possibile in quanto B e le sezioni infinitesimali di circonferenza considerate per il calcolo della circuitazione sono poste con buona approssimazione nella stessa direzione.

Campo magnetico generato da una spira circolare

Considerando un circuito elettrico di forma circolare, per calcolare il vettore B in un punto P posto lungo l’asse della circonferenza, ovvero lungo la retta perpendicolare al piano della circonferenza stessa e passante per il suo centro, sussiste la seguente relazione (x = distanza di P dal centro):

Nel centro basterà porre x = 0.

Utilizzando queste relazioni si potrò costruire un dispositivo che prende il nome di solenoide ed è costituito da una serie di avvolgimenti successivi, come una serie di spire circolari che, poste in successione provocano un forte campo magnetico nella parte centrale e nullo all’esterno e tra i conduttori. Per calcolare il campo si considererà il teorema della circuitazione secondo lo schema che segue:

Nei segmenti AD e BC, essendo perpendicolari ai vettori in quel segmento la circuitazione è pari a 0, essendo AB esterno al solenoide  è ugualmente pari a 0; la circuitazione dovrà dunque essere calcolata in CD:

con n = numero di avvolgimenti per unità di misura.

Classificazione e comportamento dei materiali in base alle loro caratteristiche magnetiche

I materiali possono essere divisi anche a seconda delle loro caratteristiche magnetiche. Per fare ciò si utilizza la costante μ = μr * μ0: dove μr è la costante di permeabilità magnetica relativa al materiale in questione. Le sostanze si dividono in:

·        Diamagnetiche - con μ < 1 -  debolmente respinte da un campo magnetico esterno;

·        Paramagnetiche – con μ > 1 – debolmente attratte da un campo magnetico esterno;

·        Ferromagnetiche – con μ >> 1 – fortemente attratte da un campo magnetico esterno.

Per avere una spiegazione del comportamento si dovrebbe analizzare la questione alla luce di conoscenze teoriche successive: si può comunque trovare una giustificazione, per i primi due casi, all’allineamento più o meno favorevole dei vari momenti magnetici a livello atomico generati sia dal movimento degli elettroni intorno al nucleo (assimilabili alla situazione di campo da spira circolare) e alla rotazione stessa degli elettroni attorno al loro asse (sempre assimilabile a detta situazione, dividendoli in una serie di segmenti). Nel caso delle paramagnetiche comunque l’effetto risulta notevolmente disturbato dall’agitazione termica.

Nel caso delle ferromagnetiche, invece, la situazione è diversa: queste sembrano essere divise in una serie di settori il cui orientamento magnetico è diverso settore per settore (Domini di Weiss). Man mano che il materiale viene magnetizzato i domini orientati favorevolmente si ampliano a scapito degli altri. In questo caso quindi la magnetizzazione del materiale dipende dal campo esterno ed è influenzata anche dalla temperatura (come del caso delle paramagnetiche).

Ciclo di Isteresi

Considerando un pezzo di materiale ferromagnetico, questo viene posto all’interno di un solenoide, dove viene fatta passare una corrente elettrica. Man mano che il tempo e corrente passano il materiale risulterà magnetizzato fino a un certo punto di saturazione. Invertendo la corrente si smagnetizzerà ma a 0 rimarrà una certa magnetizzazione residua; continuando di questo passo la magnetizzazione si annullerà per poi crearsi di verso opposto ed arrivare al punto di saturazione e così via: tale procedimento prende il nome di ciclo di Isteresi ed è utilizzato anche a livello industriale per la produzione di elettrocalamite.

Analisi microscopica del magnetismo e moto delle cariche

Considerando un conduttore e gli elettroni portatori di carica si verificherà che su ognuno di essi agirà la forza F associata al campo magnetico provocandone un movimento. Considerando N il numero degli elettroni, l la lunghezza del conduttore, A lo spessore, n il numero di elettroni per unità di volume e Fe la forza per elettrone si potrà scrivere che:

per poter trasformare anche l’intensità di corrente in una grandezza microscopica bisogna considerare che è pari alla quantità di carica che passa nel circuito in un certo intervallo di tempo, per cui considerando l’intervallo di tempo pari a 1 si avrà che l’intensità di corrente sarà uguale al prodotto di q*Vd*A*n dove Vd è la velocità di deriva, risulterà:

Forza di Lorenz

La Forza potrà dunque essere interpretata come il prodotto vettoriale tra il vettore induzione magnetica e il prodotto tra velocità di deriva e carica; inoltre, la forza di Lorenz non può agire se la carica non è in moto o se la velocità è parallela al campo. La forza risulta poi essere perpendicolare allo spostamento, per cui il lavoro e nullo come anche la variazione di energia cinetica: l’effetto quindi si concretizza con una deviazione rispetto alla traiettoria iniziale. Una forza che provoca solo un cambiamento di direzione ed è sempre perpendicolare allo spostamento è una forza centripeta. Si potranno dunque applicare le relazioni sul moto circolare uniforme:

dove r è il raggio di curvatura e ν è la frequenza.

Mediante l’utilizzo congiunto del campo magnetico ed elettrico sono stati costruiti dispositivi come i selezionatori di velocità e i ciclotroni.

Le linee di forza, definite già studiando i fenomeni elettrici, rappresentano la visualizzazione grafica dell’azione del campo in esame e hanno come verso quello uscente dal N o + ed entrante in -. Nel campo magnetico tali linee, a differenza di quelle del campo elettrico, sono sempre chiuse essendo attualmente impossibile (ma non teoricamente) ottenere dei “monopoli” magnetici, ovvero dei poli magnetici separati (solo polo sud o solo polo nord), giacché anche spezzando un magnete esistente si vengono a creare due dipoli.

Per “due espansioni polari” si intendono due poli opposti di due magneti diversi poste parallelamente tra di loro a una certa distanza di modo che tra di loro creino un campo magnetico uniforme.

La relazione può essere utile anche per dare una definizione operativa dell’Ampere, intesa come la corrente necessaria perché due conduttori lunghi un metro e posti alla distanza di un metro si attraggano con una F=2*10-7N

 

 

Il campo magnetico può essere generato da 3 tipi di sostanze:

• magnete permanente = la magnetite ha la proprietà di attrarre la limatura di ferro
• materiali magnetizzati = la sostanza diventa una calamita
• filo percorso da corrente elettrica

 

 

 

 

Avvicinando due magneti possono esserci due casi:

• si attraggono

 

                                                  N      S                     N     S

 

2) si respingono

 

                                                  S       N                     N     S

 

 

ANALOGIE CON IL CAMPO ELETTRICO

1)

CAMPO ELETTRICO

 

 

B è elettrizzato per induzione. Se taglio il corpo B, una parte è carica positivamente, l'altra negativamente. Se elimino A le due parti di B rimangono cariche, una positivamente, l'altra negativamente

ß

le cariche di segno opposto si possono dividere

 

CAMPO MAGNETICO

 

 

 

 

 

                                                           N         S          N         S

 

 

Nel campo magnetico non si possono separare le cariche nord da quelle sud

 

2)

CAMPO ELETTRICO

L'elemento per vedere se c'è un campo elettrico è la carica di prova qprova

 

E

                        qprova

 

CAMPO MAGNETICO

L'elemento per vedere se c'è un campo magnetico è l'aghetto magnetico

 

 

 

 

L'aghetto:

• è costituito da 2 punte (N e S).
• subisce un momento (due forze che lo fanno ruotare) fino a che si ferma per inerzia. Nel punto A c'è un campo magnetico diretto secondo l'asse NS. Per convenzione il verso va da S a N

 

 

 

3)

Anche nel campo magnetico, come nel campo elettrico, si usa la rappresentazione tramite le linee di forza

 

 

a) FILO PERCORSO DA CORRENTE ELETTRICA

 

• Un filo è percorso da corrente i.
• Spargo della limatura di ferro.
• Chiudo il circuito e noto che gli aghetti formano tante circonferenze concentriche che hanno per centro il filo

ß

• intorno al filo c'è un campo magnetico
• gli aghetti rappresentano le linee di forza del campo magnetico

 

I poli nord (neri) degli aghetti magnetici indicano il verso delle linee di campo circolari generate dal filo percorso da corrente.

 

REGOLA DELLA MANO DESTRA

• Per determinare il verso delle linee di campo si dispone la mano destra aperta con il pollice diretto nel senso della corrente
• Le dita si chiudono attorno al filo nel verso del campo magnetico

 

 

 

 

 

 

b) ESEMPIO DEL MAGNETE

 

Se metto l'aghetto magnetico tra i due poli del magnete a forma di ferro di cavallo, noto che in qualunque posizione esso sia, si dispone sempre nello stesso modo

CONCLUDO che:

• dalla parte dove l'aghetto ha il polo N, nel magnete c'è il polo S; dall'altra parte c'è il polo N del magnete
• il campo magnetico si disegna con linee di forza parallele; il campo è UNIFORME

 

 

c) ESEMPIO DELLA SPIRA PERCORSA DA CORRENTE

 

generatore

 

x = retro delle linee di forza

. = punta delle linee di forza

Per trovare il verso delle linee di forza, ingrandisco di molto un pezzettino della circonferenza, che risulta come una linea retta.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'aghetto di prova si sistema con il polo nord rivolto verso il polo sud della calamita. Sappiamo che per convenzione le linee di forza vanno dal polo sud al polo nord dell'aghetto. Quindi le linee di forza di un campo magnetico generato da una calamita rettilinea vanno dal polo nord al polo sud.

 

La stessa cosa vale anche per il campo magnetico terrestre. Se posizioniamo un aghetto di prova vicino alla Terra, notiamo che esso si dispone con il suo polo nord verso il polo nord geografico della Terra. Di conseguenza al polo nord geografico corrisponde il polo sud magnetico; mentre al polo sud geografico corrisponde il polo nord magnetico.

 

 

Sg

 

 

 

Concludiamo dicendo che le linee di forza del campo magnetico terrestre vanno dal polo nord magnetico al polo sud magnetico; ma vanno dal polo sud geografico verso il polo nord geografico

 

 

Anche tra due correnti esiste una forza. Questa idea fu suggerita ad Ampere dalla considerazione che due magneti interagiscono tra di loro. Dato che corrente elettrica e magneti sono in relazione, anche due fili percorsi da corrente dovrebbero interagire.

ESPERIeNZA

 

Due fili conduttori rettilinei e paralleli sono inseriti in circuiti diversi. Quando la corrente li percorre nello stesso senso (a), essi si attraggono. Quando invece la corrente circola in sensi opposti (b), i due fili si respingono.

 

SPIEGAZIONE

I due aghetti magnetici si attraggono, e di conseguenza si attraggono anche i fili

 

OSSERVAZIONI

• Le forze sono uguali come modulo e direzione, ma hanno verso opposto. Non si elidono, perché sono applicate su due corpi differenti.

 

 

• Più i due fili sono lontani e più la forza è piccola

ß

esiste anche una legge sperimentale:

 

i1 i2 l

F = k ----------

d

 

dove k è una costante, che nel vuoto è uguale a 2 * 10-7 N/A2, perché:

• se prendo due correnti uguali di 1A
• se prendo due fili che misurano entrambi 1m
• se i due fili si trovano alla distanza di 1m

noto che la forza sviluppata è uguale a 2 * 10-7 N. Perciò k nel vuoto misura 2 * 10-7 N/A2.

 

 

 

• B è un campo magnetico entrante
• i è nota
• l è la lunghezza del filo mobile
• F la misurò con l'Amperometro
• Devo trovare il valore di B

 

Chiudendo il circuito mi accorgo che il filo si muove. Il filo è perciò soggetto ad una forza

ß

REGOLA DELLA MANO DESTRA:

• dita rivolte lungo il verso del campo magnetico
• pollice rivolto verso il verso della corrente
• la linea perpendicolare uscente dal palmo corrisponde alla forza

 

Nella situazione B il filo si ferma, perché è uscito dal campo magnetico. Da qui possiamo ricavare la formula per trovare la forza:

 

F = ilB

 

• Questa formula vale se consideriamo un filo perpendicolare al campo magnetico e dà la forza massima.
• Se il filo non è perpendicolare al campo magnetico la forza registrata è più piccola; essa è tanto più piccola quanto più il conduttore è allineato con la direzione del campo magnetico, cioè quanto minore è l'angolo tra conduttore e linee di campo
• Se il filo è parallelo al campo magnetico la forza è 0.

 

Dalla formula si può ricavare quella per trovare l'intensità di B

 

                                                       F

B = --------

                                                       il

 

L'intensità del campo magnetico si misura in TESLA (T), che corrisponde a N/Am

 

 

 

Disegno una bobina o solenoide

 

 

 

X                X                X                X

 

 

·                 ·                 ·                 ·

 

 

 

Un filo percorso da corrente genera un campo magnetico. Esternamente l'intensità è quasi nulla, mentre internamente è molto concentrata.

Questo è quello che avviene nella calamita. Ampere spiegò questo fatto, immaginando che all'interno della calamita ogni atomo fosse come un piccolo circuito

 

In una calamita cilindrica le correnti elettroniche sono orientate in modo tale che in ogni punto interno si annullano, perché girano in sensi opposti. Sulla superficie, dove le correnti non si annullano, scorre una corrente simile a quella che attraversa i fili di una bobina

 

 

 

 

 

 

Dall'energia elettrica passo ad energia meccanica.

 

Un motore elettrico è costituito da una spira conduttrice immersa in un campo magnetico.

1) Quando chiudo il circuito si formano due forze che fanno ruotare su se stessa la spira. Queste due forze:

• sono uguali, ma hanno verso opposto.
• formano una coppia di forze
• provocano la rotazione della spira sull'asse centrale immaginario

La direzione delle forze è la stessa; è la retta di azione che non è la stessa

2) Per inerzia la spira continua a muoversi e oltrepassa la posizione critica, dove le forze si annullano.

3) Oltrepassato il punto critico si riforma la coppia di forze, che tende però a riportare indietro la spira, invertendo il senso della rotazione. Prima o poi la spira si ferma nel piano perpendicolare alle linee di campo, perché le forze di attrito fermano l'inerzia della spira

4) Per far fare alla spira lo stesso movimento devo invertire il verso della corrente non appena la spira oltrepassa la posizione di equilibrio

ß

inserisco dei semicilindri tra i due fili. Quando la spira gira, i fili si trovano collegati a poli differenti e la corrente cambia di verso

 

Relazione: l’elettromagnetismo

 

In natura esistono delle costanti come, per esempio, quella gravitazionale o quella dielettrica nel vuoto. Questo valore descrive le proprietà fondamentali delle particelle elementari e delle forze fondamentali della natura: generalmente compaiono nelle formule delle leggi fisiche con un valore costante, che non dipende dal tempo e dal luogo in cui la legge avviene.

Per ciò che concerne la costante di gravitazione universale “G”, per esempio, possiamo dire G = 6,67 10-11 N m2/kg2. Questa costante fu misurata da Cavendish con la bilancia a torsione.

La costante dielettrica, invece, compare nella formula della legge di Coulomb, che esprime l'intensità della forza elettrica agente tra due cariche q1 e q2 poste a distanza r ed è espressa dalla relazione: F = (1 / 4π e0) (q1 q2 / r 2).

Per ogni mezzo materiale si definisce una costante dielettrica specifica, che è sempre maggiore di quella del vuoto. Il valore della costante dielettrica del vuoto è ∑0 = 8,85 10-12 F / m.

 

Sapendo quindi che

Felettrica = (k0 q1q2)/d2

e anche che

Fgravitazionale= (G m1m2)/d2

Possiamo dire che esiste un nesso tra le due forze; entrambe –infatti- corrispondono al prodotto delle masse dei due elementi in questione, e sono inversamente proporzionali al quadrato della distanza. E’ comunque necessario precisare che la forza gravitazionale è sempre di tipo attrattivo; infatti in virtù dell’attrazione gravitazionale due corpi tenderanno sempre ad attrarsi. Due cariche elettriche puntiformi, diversamente, sono legate da forze attrattive se hanno carica elettrica discorde; in caso contrario, la forza che agisce tra loro, sarà di tipo repulsivo. Questa legge rimane valida anche per ciò che riguarda il magnetismo: due poli magnetici possono respingersi o attrarsi a vicenda, in funzione della loro polarità, appunto. Bisogna sottolineare il fatto che i poli magnetici sono sempre due o suoi multipli, visto che non esistono singole cariche magnetiche, solo polarità.

 

Per concludere il discorso possiamo riassumere dicendo che:

 

1)Fg =-G (m1 m2)/d2 ž               G=6,7 10-11 Nm2/kg2

 

2)Fe = ke (q1 q2)/d2 ž                  ke = 9 109 Nm2/C2

 

3)Fm = km (p1 p2)/d2 ž                 km = 1,1 10-7 Ns2/C2 

In questo caso diremo che “ž” rappresenta il verso e la direzione del vettore F!

 

Storia degli studi sul magnetismo

Le proprietà magnetiche di alcuni materiali erano già note agli antichi greci, ai romani e ai cinesi: presso questi popoli infatti era conosciuta la capacità dell'ossido di ferro chiamato magnetite di attrarre limatura di ferro. Essi –inoltre- avevano osservato che una sbarretta di ferro messa in contatto con frammenti di magnetite si magnetizza, ovvero diventa esso stesso un magnete naturale, capace di attrarre altri pezzi di ferro: il magnete che si è così prodotto è polarizzato, mostra cioè alle estremità un polo nord e un polo sud magnetici. Poli simili si respingono, mentre poli diversi si attraggono.

L'uso della bussola per la navigazione in Occidente e le prime ricerche sul comportamento dell'ago magnetico risalgono circa al 1200, ma il primo studio organico 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 stessa si comporta come un'enorme calamita e, attraverso una serie di esperimenti condotti con metodo scientifico, riuscì a sconfessare numerose nozioni scorrette sul magnetismo accettate fino ad allora.

 

 

 

Qui si possono notare le linee di forza del campo elettrico generato dalla calamita. Si noti anche che la densità della segatura di ferro è proporzionale all’intensità del campo stesso.

 

Tutti sappiamo che la bussola risente del campo elettromagnetico terrestre, cioè in funzione di esso segna sempre il Nord magnetico. L’italiano Alessandro volta, inventore della batteria, condusse un giorno un esperimento. Grazie al suo accumulatore elettrico, fece passare attraverso ad un filo conduttore della corrente elettrica. Era sua intenzione dimostrare che il passaggio dell’elettricità attraverso un conduttore, genera un campo elettrico. All’inizio dispose il conduttore sull’ago della bussola in maniera perpendicolare; aprì il contatto aspettandosi un conseguente “sfarfallamento” dell’ago. Ciò non accadde! Riprovò l’esperimento una seconda volta, questa volta, però, apportando una verifica.

L’ago venne disposto in maniera parallela all’ago della bussola, anzi venne messo appena sopra l’ago della bussola. Appena aprì il contatto l’ago della bussola impazzì! Volta ne concluse che l’ago tende ad allontanarsi il più possibile dal campo elettrico cioè in maniera perpendicolare, proprio come all’inizio dell’esperimento!

 

 

La Terra è circondata da un intenso campo magnetico, come se al suo interno ci fosse un enorme magnete. I geofisici ritengono che tale campo sia prodotto dai moti convettivi degli elementi metallici presenti allo stato fuso nel nucleo terrestre. L’ago di una bussola si orienta sempre nella direzione dei poli magnetici.

 

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Introduzione

 

Tutto quello che ci circonda e che fa parte della nostra vita è diffusore d’onde elettromagnetiche: il televisore, il forno a microonde, la termocoperta, il telefono cord-less, il cellulare e gli schermi dei computer. Inoltre anche le linee ad alta tensione, i ripetitori radio-televisivi (o per telefonia mobile) e gli apparati elettromedicali contribuiscono all’inquinamento elettromagnetico. 

 

L’impiego, ormai globale, di apparecchiature elettriche è talmente sviluppato da non poterne prevedere una diminuzione nei prossimi anni.

 

Negli ultimi tempi, stampa e televisione hanno discusso molto di questo problema, soprattutto per quanto riguarda la “telefonia mobile” , ormai molto diffusa, dato che ogni persona usa abitualmente un cellulare.

Ma quali effetti può provocare alla nostra salute? Questi effetti sono tangibili, o solo presunti?

Che cosa sono i campi elettromagnetici?

 

Il fenomeno dei campi elettromagnetici non è una novità degli ultimi anni, anche se il recente sviluppo e la diffusione della tecnologia ha prodotto un loro consistente aumento ed un crescente dibattito nell'opinione pubblica. Da sempre esistono fonti naturali di radiazioni elettromagnetiche: il Sole, le stelle e la stessa Terra sono quelle principali (la luce, ad esempio, è un'emissione di radiazioni ad altissima frequenza). Noi stessi, o meglio i nostri corpi, emettiamo radiazioni elettromagnetiche con una frequenza di poco inferiore a quella della luce visibile (raggi infrarossi).

Il progresso tecnologico ha però aumentato sensibilmente la quantità di emissioni presenti all'interno ed all'esterno delle nostre abitazioni.

 

I campi elettrici e magnetici hanno origine dalla presenza di cariche elettriche e dal movimento delle cariche stesse (corrente elettrica). La variazione nel tempo delle correnti elettriche lungo un filo di materiale conduttore o un'antenna, produce campi elettrici e magnetici che si diffondono nello spazio sotto forma di onde, trasportando energia.

I cellulari, le stazioni radio base, i radar, i ripetitori radio-televisivi... sono delle sorgenti di campi elettromagnetici ad alta frequenza e la componente dell'onda elettromagnetica che più frequentemente viene rilevata è quella del campo elettrico (in questo caso i valori sono espressi in Volt/metro).

Gli elettrodomestici, gli elettrodotti, gli impianti elettrici... sono delle sorgenti di campi elettromagnetici a bassa frequenza. Per tali fonti viene di solito misurato il campo magnetico (i valori sono espressi in microtesla) in quanto, alle basse frequenze, la componente magnetica si propaga attraverso i muri e gli ostacoli di varia natura, mentre il campo elettrico è facilmente schermato dalle pareti e dal terreno.

 

IL MAGNETISMO

 

Il magnetismo è un ramo della fisica che studia le interazioni magnetiche tra corpi e le proprietà della materia connesse a tali fenomeni.

Forze di carattere magnetico si manifestano tra cariche elettriche in movimento, quindi esiste una stretta relazione tra elettricità e magnetismo. L'apparato concettuale comune a questi due tipi di forze si chiama teoria elettromagnetica.

• Come si misura:

Nel Sistema Internazionale l'unità di misura del campo d’ induzione magnetica B è il tesla (simbolo T), mentre per il campo magnetico H si usa l'ampere/metro (A/m) .

Storia del magnetismo:

L'esistenza di un magnetismo naturale era noto già agli antichi greci(V - VI secolo AC) ma probabilmente ancora precedentemente era già stato scoperto nell'antica Cina dove, si dice, era già in uso un rudimentale prototipo di bussola magnetica.

Quello che è certo, comunque, è che già gli antichi avevano scoperto la capacità di alcuni minerali (ad esempio la magnetite) di attrarre la limatura di ferro o piccoli oggetti ferrosi.

Questa capacità di esercitare una forza a distanza ha dato fin dagli albori un particolare significato al magnetismo.

Tutt'ora nel XXI secolo si sente parlare di forze magnetiche.

I primi studi quantitativi sui fenomeni magnetostatici si possono far risalire alla fine del Settecento ( inizio dell'Ottocento ) ad opera dei francesi Biot e Savart e, successivamente, di Ampère,sempre in Francia.

Il magnetismo è la parte dell'elettromagnetismo che studia i campi magnetici. Per fenomeni stazionari si suole parlare di magnetostatica che presenta alcune analogie formali con l'elettrostatica .

Per fenomeni tempo-dipendenti i campi elettrici e magnetici si influenzano a vicenda ed è necessario ricorrere ad una descrizione unificata dei due campi ottenuta nel 1864 dallo scienziato britannico James Clerk Maxwell.

Particolarmente rilevante è il fenomeno dell'esistenza di un magnetismo terrestre.

Infatti il nostro pianeta presenta un debole magnetismo (circa 0.5 gauss) grosso modo equivalente a quella generata da un dipolo magnetico disposto lungo la direttrice Polo Nord - Polo Sud.

I Poli magnetici

Analogamente al caso elettrostatico anche nel magnetismo si individuano due sorgenti di campo e di natura opposta che vengono convenzionalmente definiti poli.

Usando come magnete di riferimento la Terra si parlerà allora di polo nord e polo sud;in particolare il polo nord geografico corrisponde (o quasi) con il polo sud magnetico e viceversa per il polo sud geografico.

Una proprietà interessante dei magneti naturali è che essi presentano sempre sia un polo nord che un polo sud.

Anche spezzandoli, infatti, i due magneti risultanti avranno ancora ciascuno una coppia di poli opposti.

Poiché il processo può teoricamente proseguire all'infinito questo lascia supporre che il magnetismo naturale abbia in effetti origine dalle proprietà atomiche della materia.

Considerando infatti ogni singolo elettrone orbitale come una microscopica spira percorsa da corrente e tenendo anche conto del momento di spinta,si può intuire che,collettivamente,questi possano contribuire, in un mezzo materiale, a presentare un campo magnetico macroscopicamente osservabile.

In realtà occorre tenere conto del fatto che i moti di agitazione termica tendono, in generale, ad allineare tutti questi microscopici dipoli magnetici a caso così che normalmente il valore complessivo è nullo.

Solo in alcuni minerali, i magneti naturali, questi dipoli si autoregolano su scala macroscopica formando le cosiddette regioni o domini di Weiss con dipoli tutti allineati.

 

 

Il magnetismo terrestre è un fenomeno naturale del pianeta Terra relativo all'esperienza di un campo magnetico osservabile in prossimità della superficie terrestre.

Il campo magnetico terrestre si ritiene venga generato da moti convettivi di particelle cariche nel nucleo della terra o, perlomeno, si ritiene che da questi moti provenga il contributo maggiore.

In prima approssimazione gli effetti del magnetismo possono essere paragonati a quelli che sarebbero prodotti da un grosso solenoide, o da una grossa calamita lineare, presente all'interno della Terra.

Gli effetti reali del magnetismo terrestre sono in realtà più complicati di quelli che sarebbero prodotti da un tale modello banale.

Il campo magnetico terrestre è facilmente rilevabile sulla superficie terrestre, in prossimità della quale,le linee di campo sono molto prossime a quelle dei meridiani.

Un ago magnetizzato,lasciato libero di ruotare su una superficie orizzontale,tende ad allinearsi con le linee di campo sopra citate.

Per convenzione viene definito polo Nord dell'ago il polo che punta verso il polo Nord geografico: ne consegue che il polo magnetico che si trova in prossimità del polo Nord geografico è il polo Sud magnetico e che il polo magnetico che si trova in prossimità del polo Sud geografico è il polo Nord magnetico.

Tuttavia è abbastanza frequente trovare su parecchi testi l'indicazione, non corretta dal punto di vista fisico, data in senso inverso (cioè di chiamare Polo magnetico Nord, quello vicino al Polo geografico Nord, basandosi sulla vicinanza geografica anziché sulle caratteristiche magnetiche)

In realtà l'asse geografico e l'asse magnetico non sono coincidenti; infatti, il secondo si scosta dal primo in base alla posizione e al momento della sua rilevazione: mentre i poli geografici sono fissi, quelli magnetici sono soggetti ad un continuo, seppur lento, spostamento.

Questo comporta che il polo geografico non coincide con il polo magnetico (ogni polo geografico dista circa 2000 km dal polo magnetico più vicino ed il polo magnetico Sud si trova nella parte settentrionale del Canada).

Quindi l'ago della bussola non indica il polo Nord geografico.

L'angolo compreso tra la direzione indicata dalla bussola e la direzione verso il nord geografico è detto declinazione magnetica e il suo valore, come detto, dipende dal punto di osservazione sulla superficie terrestre e dal momento di osservazione.

In talune zone la declinazione magnetica è tutt'altro che trascurabile, come non lo è se si deve seguire una rotta piuttosto lunga. Ovviamente in prossimità dei poli i valori di declinazione possono essere molto elevati.

Il magnetismo terrestre ha una notevole importanza per la vita sulla Terra. La sua presenza infatti genera una sorta di "scudo" elettromagnetico che devia e riduce il numero di raggi cosmici che giungono sulla Terra.

L'intensità del campo magnetico terrestre non è costante nel tempo,avendo subito nel tempo geologico notevoli variazioni, che hanno portato ripetutamente a fenomeni di inversione del campo, con scambio reciproco dei poli magnetici Nord e Sud.

Inoltre, la posizione dei poli magnetici rispetto ai continenti è cambiata nel passato geologico (deriva dei poli).

Le variazioni di verso del campo magnetico terrestre possono essere utilizzate per datare campioni di roccia che contengono sostanze magnetizzate (magnetostratigrafia).

Esistono delle zone di anomalia magnetica in cui il valore della declinazione è anomalo rispetto alle aree circostanti.

Le cause di queste anomalie sono da attribuirsi alla magnetizzazione delle rocce dei luoghi dove vengono rilevate, che formano dei deboli campi magnetici che si compongono con quello terrestre.

In Italia si hanno anomalie magnetiche nelle isole Capraia, d'Elba, Lipari, Pantelleria, nella provincia di Genova, nelle province di Napoli e Caserta, nella Sardegna centro occidentale, nella zona etnea della Sicilia e nel Piemonte nord occidentale.

Cos’è Il campo magnetico:

Oggetti magnetizzati o fili percorsi da correnti elettriche interagiscono con forze di natura magnetica.

Queste forze possono essere descritte mediante il concetto di campo magnetico e rappresentate graficamente con un insieme di linee di forza o di campo.

L'andamento delle linee di forza di un campo magnetico dipende dalla forma geometrica e dalle caratteristiche del magnete o del sistema di fili conduttori percorsi da corrente che lo generano; nel caso di un magnete a sbarra, ad esempio, esse emergono da una delle estremità, e poi si incurvano nello spazio circostante fino a raggiungere l'altra estremità e chiudersi all'interno della barra, dove sono vicine e parallele.

Alle estremità del magnete le linee di forza sono più fitte, il che corrisponde a una maggiore intensità del campo; sui lati invece il campo è più debole e quindi le linee sono più distanziate.

È possibile evidenziare la direzione e il verso delle linee di forza di qualunque campo magnetico per mezzo di un aghetto magnetico o di un po' di limatura di ferro.

Infatti una bussola, che non è altro che un piccolo magnete libero di ruotare, posta in un campo magnetico tende ad allinearsi con le linee di forza del campo.

Sparpagliando invece della limatura di ferro su un foglio di carta tenuto sopra un oggetto magnetizzato, questa tende a distribuirsi sul foglio in corrispondenza delle linee di forza del campo.

Oltre che su materiali magnetici, il campo magnetico agisce su particelle cariche in moto.

Quando una particella si muove attraverso un campo magnetico, è soggetta a una forza, detta forza di Lorentz, diretta perpendicolarmente sia alla direzione del campo, che alla velocità della particella.

Per l'azione della forza di Lorentz, la traiettoria di una particella carica all'interno di un campo magnetico viene incurvata e, in assenza di altre forze, risulta circolare.

Questa proprietà viene sfruttata negli acceleratori di particelle e negli spettrometri di massa per controllare la traiettoria delle particelle cariche.

 

• Applicazioni:

Negli ultimi cento anni il magnetismo ha trovato numerose applicazioni. L’elettrocalamita, ad esempio, è la base del motore elettrico e del trasformatore.

In tempi più recenti, inoltre, lo sviluppo di nuovi materiali magnetici è stato importante per la rivoluzione prodotta dal computer. La memoria dei computer può essere fabbricata mediante domini a bolla.

Questi domini sono piccole regioni che presentano una magnetizzazione parallela o antiparallela rispetto alla magnetizzazione dell'intero materiale. 

A seconda della sua direzione di magnetizzazione ogni bolla indica un 1 o uno 0, nel sistema binario usato nei computer.

I materiali magnetici sono anche impiegati per la fabbricazione di nastri e dischi in cui vengono immagazzinati dati.

In molte delle moderne tecnologie sono utilizzati grossi e potenti magneti.

I treni a levitazione magnetica scorrono sulle rotaie per mezzo di forti magneti, evitando così il contatto e l'attrito tra ruote e rotaie dei treni convenzionali. Anche nella risonanza magnetica nucleare, un importante strumento diagnostico utilizzato in medicina, si usano forti campi magnetici.

Inoltre, negli attuali acceleratori di particelle si usano magneti superconduttori per mantenere i fasci di particelle su orbite definite e ben focalizzate.

 

 

L’INQUINAMENTO ELETTROMAGNETICO

 

L’uso dell’energia nella sua forma elettromagnetica è aumentato notevolmente per via dello sviluppo e della diffusione degli impianti per le telecomunicazioni e delle apparecchiature elettriche; così l’inquinamento elettromagnetico è in continua crescita sul nostro pianeta, costituendo una seria minaccia per la salute pubblica. I campi elettromagnetici inquinanti sono generati sia in Bassa frequenza che in Alta frequenza, due milioni di volte superiori a quelli del fondo naturale. I campi a Bassa frequenza sono generati dagli elettrodotti, dai trasformatori e dagli elettrodomestici, i campi ad Alta frequenza dalle onde impiegate per le trasmissioni radiotelevisive e per la telefonia mobile. Quest’ultimo settore merita un discorso a parte per i danni causati dall’utilizzo, ormai estremamente diffuso, dei telefoni cellulari e per la presenza nell’ambiente urbano dei ripetitori, i quali determinano l’impatto più dannoso sulla popolazione esposta alle loro onde.

In quest’ambito gli interessi in gioco sono forti, quindi i gestori degli impianti per le telecomunicazioni, in accordo con amministratori e proprietari d’immobili, non hanno scrupoli nell’istallare impianti ed antenne in prossimità di condomini, approfittando della disinformazione che avvolge la questione, di una legislazione insufficiente e “corrompendo” i condomini con offerte vantaggiose (contratti gratuiti di rete fissa, telefonini in omaggio, sostanziose somme di denaro).

 

Gli effetti nocivi dell' inquinamento elettromagnetico

Gli effetti nocivi che i campi elettromagnetici determinano sull’organismo umano possono essere suddivisi in due categorie: a breve e a lungo termine.  Gli effetti a breve termine maggiormente riscontrati negli individui esposti alle radiazioni sono: micro-scosse, vibrazione dei capelli   e della peluria, fino ad arrivare a variazioni del metabolismo, delle funzioni ghiandolari, del sistema immunitario, del sistema nervoso centrale e del comportamento. Gli effetti a lungo termine possono essere suddivisi, a loro volta, in tumorali e non tumorali. Svariati sono gli effetti non tumorali, evidenziati da attendibili studi scientifici: disturbi neurologici, circolatori e del sonno; alterazioni ematologiche, vertigini, depressione, cefalee; limitazione della capacità di apprendimento, perdita di memoria, caduta di capelli.

 Per quanto riguarda gli effetti tumorali, l’esposizione a campi elettromagnetici viene associata all'incremento di tumori del sistema nervoso centrale e del sangue (è stato riscontrato un grave rischio per la popolazione infantile, maggiormente soggetta a forme leucemiche a causa della ridotta massa fisica).

Passando ai telefoni cellulari, c’è da dire che la situazione in Italia è peggiore rispetto agli altri paesi, in quanto il nostro paese detiene il primato europeo per il numero di possessori di telefoni cellulari con un tasso di crescita costante. I cellulari attualmente sul mercato operano a frequenze comprese tra 800 e 1800 MHz ed emettono potenze massime comprese tra 0,2 e 0,6 Watt che diminuiscono molto rapidamente con la distanza del dispositivo.

Cosa fare?

Quando si acquista una casa è necessario accertarsi dell’eventuale presenza di linee, cavi o cabine elettriche; antenne fisse per la telefonia cellulare, radar, ripetitori radio / TV.

In casa è consigliabile: tenere apparecchi elettrici (segreteria telefonica, radiosveglia, ecc.), ad almeno un metro di distanza dal letto (nella camera in cui si dorme, i fili elettrici non dovrebbero passare dietro la testa); mantenere un metro di distanza dallo schermo di un qualsiasi monitor; utilizzare il phon tenendolo il più possibile distante dai capelli; non posizionare il letto a ridosso di una parete che confina con un quadro elettrico (dove c'è l'interruttore principale); mantenere una distanza di almeno un metro e mezzo dai termosifoni elettrici portatili; cercare di ridurre al minimo i tempi di funzionamento di elettrodomestici come tritatutto, tostapane, frullatori, ecc.

 

EFFETTI DELL’ELETTROMAGNETISMO

Effetti negativi

 

La comunità scientifica si è accorta che il nostro corpo si comporta come un'antenna per via di un fenomeno detto "risonanza", motivo per il quale la fisica sanitaria e le stesse normative in vigore trattano differentemente non solo le emissioni di televisori e di tralicci per l'alta tensione, ma distinguono anche le stesse onde radio (AM e FM).

 Poiché i fenomeni elettromagnetici dipendono dalla geometria dei corpi, le diverse parti del corpo reagiscono in modo diverso.

 Insonnia, cefalea, irritabilità, depressione, stanchezza o anche tumori possono essere gli effetti di una eccessiva esposizione ai campi elettromagnetici.

 Per il momento  è però possibile basarci solamente su risultati epidemiologici, ovvero studi statistici, che aspettano una effettiva convalida dalle prove di laboratorio.

 

In Inghilterra il dottor Perry ha pubblicato ricerche che dimostrano che la gente che vive in campi magnetici molto alti,è per il 40% più portata al suicidio. I risultati di 20 programmi condotti dalla Marina su volontari indicano che vi sono effetti biologici potenzialmente pericolosi per la salute umana.

 

Centoventi volontari furono sottoposti a campi di basso livello. Questi test produssero effetti allarmanti. Tutti tranne uno mostrarono una rapida crescita del siero triglicerico (un segnale evidente di problemi cardiaci).

 

Recenti ricerche scientifiche indicano che i campi magnetici possono non solo influenzare il comportamento individuale delle cellule, ma anche il rateo a cui queste si moltiplicano (aumentando il rischio di proliferazione casuale). Negli USA e in Svezia, alcuni studi hanno evidenziato come le persone che vivono nei pressi delle linee elettriche, possano più facilmente ammalarsi di cancro. Studi epidemiologici in Gran Bretagna hanno anche mostrato come i dipendenti delle compagnie elettriche, abbiano il doppio di possibilità di contrarre la leucemia mieloide acuta. Nonostante il peso crescente delle prove, le autorità continuano a permettere che le abitazioni siano costruite vicino alle linee di distribuzione elettrica.

Basti pensare che tale inquinamento ha ultimamente saturato l'ecosistema terrestre di radiazioni o campi elettromagnetici di varie frequenze.

 

Effetti biologici delle onde elettromagnetiche:

 

• Da 25 a 30 MHz (radiofrequenze CB, taxi, ecc) penetrano in tutti i tessuti, nelle ossa e in particolare nel cervello, nel midollo spinale e nel cristallino dell'occhio.
• Da 88 a 108 MHz (radiodiffusioni FM) penetrano fino a 4 cm di profondità nel cervello, nel midollo spinale e nel cristallino.
• Da 175 a 216 MHz (banda televisiva UHF) interessano soprattutto i bambini in crescita.
• Da 614 a 854 MHz (banda V-UHF televisiva e telefonia mobile da 900 a 1800 MHz) penetrano nel cervello fino a 2 cm e hanno una potenza energetica dieci volte superiore a quella delle onde FM.
• Da 2450 a 2.5 GHz (radar, satelliti, forni a microonde) penetrano nel cervello da 0.5 a 1 cm e sono dannose per gli occhi, il sangue ed i microrganismi.
• Da 10 a 100 GHz (radar militari e forni industriali) penetrano nel cervello per alcuni millimetri, disturbano il sangue e i microrganismi, possiedono una potenza energetica circa diecimila volte superiore rispetto a quella delle onde di 10 MHz.

 

 

 

Il prof. Ross Adey, biofisico, che conduce ricerche sui campi elettromagnetici sin dalla fine degli anni ’50, afferma:"Gli studi di laboratorio hanno identificato nelle membrane cellulari la parte dei tessuti che, con tutta probabilità, per prima subisce le interazioni con i campi elettromagnetici a bassa frequenza e i campi modulati a radiofrequenza/microonde. Studi epidemiologici hanno attirato l’attenzione verso i Campi elettromagnetici e i campi modulati a radiofrequenza come possibili fattori di rischio per leucemie, linfomi, tumori al seno, melanomi epiteliali, tumori al cervello".

 

 

 

In Italia, ricercatori come il dott. Franco Merlo (Istituto Nazionale per la ricerca sul cancro), il Prof. Giuseppe Masera (coordinatore di numerose ricerche internazionali sui tumori infantili) e il Prof. Cesare Maltoni (Fondazione europea di oncologia e scienze ambientali) hanno evidenziato da anni il nesso tra l’esposizione a campi elettromagnetici (CEM) a bassa frequenza (a cui nessuno di noi sfugge) e l’insorgenza di leucemie in popolazioni di età pediatrica (0-14 anni): bambini a lungo esposti a valori di CEM 50-60 Hz superiori a 0,2 microTesla (come quelli prodotti dagli elettrodotti ad alta tensione) hanno una probabilità doppia di sviluppare una leucemia rispetto a bambini esposti a livelli inferiori.

 

DANNI SULL’UOMO

 

 Le onde elettromagnetiche rappresentano un campo energetico in movimento che si sposta alla velocità di circa 300.000 Km al secondo. Hanno 6 parametri di misura: lunghezza, larghezza, altezza, frequenza, polarità destrogira (Sud +), polarità levogira (Nord -, hanno quindi un'immagine tridimensionale.

Oramai è saputo che vi è un continuo scambio di energia di onde elettromagnetiche, tra Cielo e Terra.

La Natura e l'Uomo vivono in mezzo a questo complesso interscambio, le nostre cellule cioè sono in stretto contatto con tali campi di forze.

L' inquinamento elettromagnetico  ha ultimamente saturato l'ecosistema terrestre di radiazioni o campi elettromagnetici di varie frequenze.

 

Risultati delle ricerche:

 

I primi sospetti vennero esposti nel 1972 da alcuni scienziati dell'Unione Sovietica: in una statistica condotta sul personale impiegato nelle centrali elettriche essi dimostrarono che gli operai risultavano affetti da sintomi quali disturbi nervosi, alterazioni della pressione arteriosa, emicranie ricorrenti, stanchezza, stress, depressione cronica ed un aumento delle malattie cardiache.
Nel 1979 uno studio dei dottori Nancy Wertheimer e Ed Leeper, dell'Università del Colorado, segnalò un aumento del 3 % dei casi di morte per cancro, tra i bambini che vivevano presso le linee dell'alta tensione a Denver, Colorado.

Nel Novembre del 1986 il dottor David Savitz, dell'Università del Nord Carolina, pubblicò i risultati di una ricerca condotta nell'ambito del New York Power Lines Project, sul sensibile aumento nell'incidenza di casi di tumore infantile e leucemia associato all'esposizione a campi elettromagnetici superiori ai 2,5 mG, confermando i risultati ottenuti in precedenza da Wertheimer e Leeper.
Le scoperte di Wertheimer, Leeper e Savitz furono ulteriormente ampliate da una serie di ricerche nei due anni che seguirono. Nel 1991, da S.J. London, nella rivista American Journal of Epidemiology; da John Peters e suoi colleghi dell'Università del Sud California, ed in Svezia nel 1992 da Maria Feychting e Anders Ahlbom, che confermarono un aumento del 3% nell'incidenza dei casi di leucemia infantile e del 2% dei casi di leucemia tra gli adulti.

In un articolo sulla rivista Time del 26 Ottobre 1992, Christine Gorman dichiarò: "Una delle scoperte più significative è che il rischio cancerogeno aumenta in proporzione alla forza del campo elettromagnetico ed una progressione così evidente rende difficile sostenere che vi potrebbero essere altre cause concomitanti che giustifichino l'aumento dei casi di leucemia"
In effetti una ricerca del 1992, condotta in Danimarca dal dottor Jorgen H. Olsen, ha rilevato un aumento del rischio di leucemia infantile, linfomi e tumori del cervello addirittura del 5%, nel caso di bambini che vivevano presso linee dell'alta tensione, esposti quindi a campi elettromagnetici della potenza di 4 mG.
Ma i bambini non sono gli unici soggetti a rischio. Già dal 1990, nel numero di Agosto, la rivista Microwave News ha riferito che gli epidemiologi del Centro Ricerche sul Cancro Fred Hutchinson di Seattle hanno scoperto nuove prove di un'associazione tra l'esposizione ai campi magnetici per motivi professionali e lo sviluppo di cancro alla ghiandola mammaria negli uomini. Questa ricerca conferma i precedenti risultati di uno studio dell'Università John Hopkins che dimostrava l'aumento del rischio di tale tipo di tumore, nei più giovani fra gli operai della compagnia dei telefoni di New York.

Paul Demers, lavorando con il gruppo di ricerca del dottor David Thomas al Centro Hutchinson, ha infatti scoperto che gli elettricisti e gli operai delle linee telefoniche o delle linee elettriche vengono colpiti dal cancro alla ghiandola mammaria con un'incidenza sei volte superiore alle percentuali per il sesso maschile. Un ulteriore studio della ricercatrice Dana Loomis, dell'Università del Nord Carolina, ha dimostrato che le donne impiegate come installatrici telefoniche o riparatrici di linee elettriche hanno il 38% in più di possibilità di essere colpite da cancro al seno, rispetto a donne con impieghi estranei all'elettricità.
I ricercatori hanno inoltre osservato una significativa associazione tra l'esposizione a forti campi elettromagnetici o EMF e l'insorgenza di casi di tumore al cervello.

 

 

Danni sull’uomo:

Effetto termico,ossia il riscaldamento del corpo o di sue parti esposte alle radiazioni: questo riscaldamento avviene internamente al corpo e non viene percepito dagli organi sensoriali: per l’organismo non è così possibile attivare meccanismi di compensazione. Gli organi con scarsa circolazione sanguigna (che favorisce la dispersione del calore prodotto) e bassa conducibilità termica (fattore negativo ai fini di una efficace dispersione del calore) sono i più colpiti

(testicoli, cornea, ecc.) insieme alla ghiandola pineale, minuscola ghiandola a forma di pigna (da cui il nome) che secerne melatonina: un ormone che regola, oltre l’umore, il sistema endocrino e riproduttivo.

 

Il prof. Ross Adey, biofisico, che fa ricerca sui campi elettromagnetici sin dalla fine degli anni ’50 ha identificato nelle membrane cellulari la parte dei tessuti che per prima subisce le interazioni con i campi elettromagnetici (CEM) a bassa frequenza e i campi modulati a radiofrequenza/micronde che sono possibili fattori di rischio per leucemie, linfomi, tumori al seno, melanomi epiteliali,

tumori al cervello per esposizioni prolungate a campi magnetici con intensità superiori a 0,2 microTesla: bambini a lungo esposti a valori di CEM 50-60 Hz superiori a 0,2 microTesla - come quelli prodotti dagli elettrodotti ad alta tensione - hanno una probabilità doppia di sviluppare una leucemia.

 

Sono state riscontrate:

• variazioni della permeabilità cellulare
• variazioni del metabolismo
• variazioni delle funzioni ghiandolari, del sistema immunitario, del sistema    nervoso centrale e del comportamento.
• possibili lesioni cerebrali
• influenza sulla crescita cellulare
• malformazioni fetali
• ustioni interne
• cataratta
• morte per infarto.
• variazioni del numero dei linfociti e granulociti (esperimenti su cellule)
• variazioni del livello di anticorpi e delle attività dei macrofagi (esperimenti su animali)
• tachicardia
• dolore agli occhi
• vertigini
• depressione
• limitazione della capacità di apprendimento
• perdita di memoria
• caduta di capelli

 

nei paesi dell’Est europeo studi hanno evidenziato anche:

 

• sterilità
• aumento degli aborti
• abbassamento della fertilità

 

 

Consigli per prevenire in casa:

L'impianto elettrico deve avere la messa a terra, antenne, cavi, televisioni e telefono debbono stare ad almeno 4,5 metri dal letto. Dobbiamo conoscere ed evitare i nodi reticolari per la posizione del letto. Pochi oggetti metallici, poco cemento, pochi materiali sintetici e isolanti chimici, molto legno. Evitare grandi superfici di specchi nella stanza da letto. Come abitudini individuali,il medico suggerisce di camminare il più possibile usando scarpe di cuoio e fibre naturali per i vestiti (cotone, seta), tenere piante in casa e aprire spesso le finestre, utilizzare lampade a spettro totale e non al neon, utilizzare cristalli di quarzo per l'assorbimento di onde elettromagnetiche provenienti da televisioni, telefoni cellulari o computer. Pannelli di sughero possono isolare pareti che stanno a fianco di grosse trasmittenti di cavi ad alta tensione i quali potrebbero interferire sui corpi fino a una distanza di 300/400 metri. E' importante cominciare a responsabilizzarci sul nostro modo di vivere per essere in grado di evitare o ridurre le abitudini nocive alla salute, per evitare gli stress geopatici ed elettrici.

 

 

IL WIRELESS

Il termine wireless indica i sistemi di comunicazione tra dispositivi elettronici, che non fanno uso di cavi.

Generalmente il wireless utilizza onde radio a bassa potenza;inoltre le reti wireless sono una importante forma di connessione per molte attività:infatti,soprattutto le reti  wireless,vengono installate negli aeroporti, nelle università, nei parchi pubblici delle grandi città.

Un tempo questa tecnologia veniva utilizzata solo in condizioni in cui l'uso di cavi fosse difficile o impossibile ma,con il passare del tempo,le WLAN (wireless local area network, in inglese abbreviato WLAN) stanno entrando anche nelle case, permettendo la condivisione di dati e della connessione Internet (mediante Router) tra i computer di una famiglia.

Il WLAN è una rete locale senza fili;quindi con il termine WLAN si vogliono indicare tutte le reti locali di computer che non utilizzano dei collegamenti via cavo per connettere fra loro gli host della rete.

Ci sono due principali tipi di rete Wireless:

• PAN (Personal Area Network)
• WLAN o WAN wireless (Wide Area Network)

Le reti Wireless possono utilizzare le onde radio,le luci infrarosse o i laser come mezzo di trasmissione.

Ecco che tipi di reti Wireless utilizzano tali mezzi di trasmissione e come:

• Onde radio: vengono utilizzate dalle reti tipo Wi-Fi che hanno il compito di “uniformare” ambienti dove le diverse postazioni da collegare possono  essere separate da muri o da intercapedini.
• Luci infrarosse: vengono utilizzate per collegare dispositivi visibili e non separati ma la loro lentezza le ha mandate in disuso a vantaggio dei dispositivi Bluetooth.
• Laser: vengono utilizzate per collegare reti realizzate tramite altre tecnologie.

Il laser viene utilizzato di norma per la sua grande velocità di trasmissione ma la sua sensibilità alle condizioni esterne lo ha mandato in disuso a vantaggio dei collegamenti tramite onde radio. Il problema principale delle reti senza filo o Wireless è la sicurezza perché i segnali essendo irradiati nell'etere,possono essere intercettati e decifrati. È buona norma considerare le reti senza filo come reti a bassa sicurezza e pertanto vietare agli utenti collegati in rete di accedere a dati riservati.

 

PRIMI danni delle reti WIRELESS:

Il Wi-fi, la tecnologia per connettersi a internet senza l'utilizzo di cavi, finisce sul banco degli  imputati in inghilterra. Sir William Stewart, capo dell'agenzia per la protezione della salute (Hpa),ha annunciato di voler avviare un'indagine per stabilire i potenziali pericoli che il wireless rappresenta per la salute, in particolare per quella dei bambini. Nelle scuole del Regno Unito, infatti, il nuovo network per la connessione si sta diffondendo molto rapidamente, con metà degli istituti elementari e i 3/4 delle superiori già attrezzati.
Secondo quanto riportato dal giornale 'Independent on Sunday', Stewart vuole che i bambini vengano monitorati per individuare eventuali effetti nocivi del wi-fi, il cui funzionamento è stato accostato alle radiazioni emesse dalle antenne per la telefonia cellulare. Alcuni ricercatori hanno avanzato l'ipotesi che la rete senza fili crei uno “smog elettronico” potenzialmente dannoso per la salute. E i rischi sarebbero molto seri. Recenti ricerche parlano infatti di alto potenziale cancerogeno e senilità precoce.
Stewart, già consulente del governo Blair e autore di inchieste sulla pericolosità dei telefonini, aggiunge così il suo peso alla schiera di coloro che da tempo chiedono un indagine sul wireless. Infatti la nuova tecnologia non preoccupa solo Stewart: il sindacato degli insegnanti ha annunciato che scriverà questa settimana al ministro per l'Istruzione Alan Johnson perché avvii un'indagine ufficiale su queste radiazioni e sui rischi da esposizione. Inoltre alcuni governi locali europei - come Salisburgo in Austria - hanno chiesto alle scuole di non installare il wi-fi, citando gli studi che ne dichiarano la pericolosità.

 

IL CELLULARE

 

Il cellulare è un apparecchio elettronico per la comunicazione radiotelefonica, tale comunicazione avviene entro il raggio di copertura delle stazioni telefoniche o ricevitori;la potenza del raggio è misurata in Hz.

Ci sono vari opinioni,positivi e non,sull’uso dei cellulari e sui danni che esso provoca:

Opinioni  contro l’uso dei cellulari:

I cellulari, inseparabili compagni sia sul lavoro che a casa,sono estremamente dannosi per la salute;ma molti sostengono,che tale ipotesi sia falsa e appoggiano incondizionatamente l’utilità di questi apparecchi.

I cellulari (ed anche i cordless) emettono radiazioni elettromagnetiche ad alta potenza, in una fascia compresa tra i 900 MHz ed i 2.4 GHz.

Negli anni ’50 negli USA si registrarono vari casi di antennisti precocemente invecchiati e solo successivamente si scoprì che la causa di tale “fenomeno”,era l’esposizione alle radiazioni emesse dall’antenna.

Infatti le radiazioni sono utilizzate anche in campo militare per provocare danni alle persone ed alle apparecchiature.

I danni,causati dalle radiazioni elettromagnetiche sull’uomo,possono essere:

• Mal di testa,stanchezza ed affaticamento.
• Perdita di memoria e confusione mentale.
• Depressione e stati d’ansia.
• Vampate di calore ed arrossamenti cutanei
• Cataratta, problemi alla retina, cancro dell’occhio
• Danneggiamento dei nervi del cuoio capelluto.
• Acufeni (fischi nelle orecchie) e sensazioni di odori.
• Dolori articolari, spasmi e tremori.
• Problemi digestivi ed ipercolesterolemia.
• Alterazione dell’attività cerebrale durante il sonno (indice e causa di gravi perturbazioni).
• Alterazione della barriera di protezione del cervello da virus, tossine ed altri agenti patogeni.
• Diminuzione dell’emoglobina nel sangue.
• Depressione del sistema immunitario.
• Stimolazione dell’asma e delle allergie in genere.
• Alterazione del sistema endocrino, soprattutto a livello di pancreas, tiroide, ovaie e testicoli.
• tumori al cervello e al collo
• mancata rigenerazione del sangue
• aumento della pressione sanguigna come se il soggetto fosse sottoposto a stress
• perdita della memoria
• ipersensibilità

 

 

Gli effetti delle radiazioni sui bambini invece sono:

 

• perdita di memoria e concentrazione,
• riduzione delle capacità d’apprendimento
• aumento dell’aggressività
• maggiore vulnerabilità a infezioni e malattie
• disturbi del sonno.

Opinione neutra:

Secondo degli studi eseguiti a Brescia  l'uso dei cellulari ha un effetto eccitante sulle cellule del cervello e,secondo uno studio complementare effettuato in Svezia,tale effetto non fa né male né bene .

"È dimostrato senza alcuna ombra di dubbio", hanno detto i responsabili dello studio, "che le emissioni elettromagnetiche dei telefoni cellulari producono effetti sull'eccitabilità del cervello di chi li usa". La zona più esposta alle radiazioni elettromagnetiche è la corteccia cerebrale:basti pensare che  dopo 45 minuti d'esposizione alle invisibili radiazioni di un dispositivo cellulare, la corteccia cerebrale è chiaramente "sovraeccitata". Ora il problema sarà studiare gli effetti che queste radiazioni provocano e capire se sono positivi o negativi.

 

Come evitare i danni:

I danni vengono combattuti con le piastrine IFC,uno strumento eccezionale per la salute ed il benessere.Le piastrine lavorano con le energie sottili, quelle presenti negli organismi viventi, dette anche bioenergie.

Tali  piastrine agiscono sugli esseri viventi sia a livello energetico che di metabolismo cellulare, hanno molti impieghi e possono essere utilizzate anche per la protezione dalle emissioni dei cellulari

 

 

 

PROVVEDIMENTI CONTRO L’ELETTROMAGNETISMO

 

L'esposizione del pubblico a campi elettromagnetici è regolamentata da una varietà di norme, volontarie o di legge. Tra queste, le più importanti sono le linee guida internazionali elaborate dalla Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni Non Ionizzanti (ICNIRP), contestualmente ad una serie di standard internazionali. Le linee guida sono state predisposte in modo tale da evitare qualsiasi tipo di danno noto, provocato dalla esposizione; nei valori limite è incorporato un ampio margine di sicurezza. I livelli di esposizione sono quasi sempre molto al di sotto dei limiti raccomandati.

 

 

• Politiche cautelative

In tutto il mondo si è creato un crescente movimento, per l’adozione di un "approccio cautelativo" nella gestione dei rischi sanitari, di fronte all’incertezza scientifica. Come agenzia internazionale per la salute, l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) non consiglia normalmente alle autorità nazionali di adottare politiche che vadano al di là delle conoscenze consolidate. Nella dichiarazione firmata a Londra durante la "Terza Conferenza Ministeriale su Ambiente e Salute" nel 1999, l'Organizzazione Mondiale della Sanità è stata tuttavia incoraggiata a tenere in considerazione "la necessità di applicare rigorosamente il principio di precauzione nella valutazione dei rischi e di adottare maggiori iniziative ed un approccio più preventivo nei confronti di potenziali danni alla salute".

Sono state sviluppate diverse politiche di cautela per rispondere alle preoccupazioni che, a fronte di un’incertezza scientifica, sono state espresse per problemi di salute pubblica, di igiene del lavoro e di igiene ambientale.

 

 

 

Queste politiche comprendono:

 

• il principio di precauzione
• la cosiddetta "prudent avoidance"
• il principio ALARA.

 

Il principio di precauzione è una politica di gestione del rischio che viene applicata in circostanze caratterizzate da un alto grado di incertezza scientifica, e riflette la necessità di intervenire nei confronti di un rischio potenzialmente grave senza attendere i risultati della ricerca scientifica.

Per i paesi dell'Unione Europea, il trattato di Roma afferma che "le politiche ambientali della comunità devono essere basate sul principio di precauzione". Il 2 febbraio 2000, la Commissione Europea ha approvato un importante comunicato sul principio di precauzione, fornendo linee guida per la sua applicazione.

Secondo questa definizione, il principio di precauzione è "orientato ai rischi"; esso richiede cioè una valutazione dei rischi, comprese considerazioni di costo/beneficio. Il suo impiego è chiaramente mirato a fornire risposte provvisorie a minacce potenzialmente gravi per la salute, fino a quando non siano disponibili dati adeguati per azioni fondate su una maggiore base scientifica.

 

La "prudent avoidance" fu inizialmente sviluppata, come strategia per la gestione del rischio nel caso di campi elettrici e magnetici a frequenza industriale, da Morgan, Florig e Nair della Carnegie Mellon University. Nel loro rapporto del 1989 all’Office of Technology Assessment degli Stati Uniti questi autori definirono la "prudent avoidance" come "l’adozione di provvedimenti per tenere le persone al di fuori dei campi ridisegnando il tracciato degli impianti e riprogettando sistemi e dispositivi elettrici". La prudenza fu definita come "prendere misure per evitare le esposizioni laddove ciò comporti costi modesti".

Dal 1989 il principio della "prudent avoidance" si è evoluto verso il significato di provvedimenti semplici, facilmente raggiungibili e a basso costo, per ridurre l’esposizione a campi elettromagnetici anche in assenza di rischi dimostrabili. In generale, gli enti governativi hanno applicato questa politica solo ai nuovi impianti, dove piccole modifiche di progetto permettono di ridurre i livelli di esposizione del pubblico. Esso non è stato applicato per richiedere modifiche di impianti già esistenti, che in generale risultano molto dispendiose.

Così definito, il principio della "prudent avoidance" prescrive l’adozione di misure a basso costo per ridurre l’esposizione, in assenza di una qualunque previsione scientificamente giustificabile che tali provvedimenti riducano il rischio. Questi provvedimenti sono generalmente sotto forma di raccomandazioni volontarie piuttosto che di limiti o regole stringenti.

La "prudent avoidance" (non necessariamente identificata con tale espressione) è stata adottata come politica in parte dei settori elettrici dell’Australia, della Svezia e di alcuni degli Stati Uniti (California, Colorado, Hawaii, New York, Ohio, Texas e Wisconsin).

La "prudent avoidance" non è stata adottata formalmente negli Stati Uniti per regolamentare gli impianti di telecomunicazione e quelli di diffusione radiotelevisiva. Tuttavia, gli enti governativi hanno rivolto all’industria delle telecomunicazioni raccomandazioni che potrebbero essere considerate forme di "prudent avoidance". Nel 1999, la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti ha esortato l’industria della telefonia mobile a progettare telefoni che minimizzino l’esposizione a campi elettromagnetici a radiofrequenza, fino ai livelli necessari per il funzionamento del dispositivo.

 

ALARA è l’acronimo dell’inglese As Low As Reasonably Achievable (il più basso ragionevolmente raggiungibile). è una politica atta a minimizzare rischi conosciuti, mantenendo l’esposizione ai livelli più bassi ragionevolmente possibili tenendo in considerazione i costi, la tecnologia, i benefici per salute pubblica ed altri fattori sociali ed economici. Oggi, il principio ALARA è usato soprattutto nel contesto della protezione dalle radiazioni ionizzanti, dove i limiti non sono stabiliti sulla base di una soglia, ma piuttosto sulla base di un "rischio accettabile". In queste circostanze, è ragionevole minimizzare un rischio che si presume possa esistere anche a livelli inferiori ai limiti raccomandati, considerato che ciò che costituisce un "rischio accettabile" può variare molto da individuo a individuo.

L’ALARA non costituisce una politica appropriata per i campi elettromagnetici (che si tratti di linee elettriche o di campi a radiofrequenza), data l’assenza di qualunque rischio prevedibile a bassi livelli di esposizione e data l’ubiquità dell’esposizione stessa.

 

• Politiche di cautela nei riguardi dei campi elettromagnetici

La "prudent avoidance" ed altre politiche di cautela nei riguardi dell’esposizione a campi elettromagnetici hanno guadagnato popolarità tra molti cittadini, che pensano che queste politiche offrano una protezione contro rischi scientificamente non provati. Tuttavia, l’applicazione di simili approcci è molto problematica. La maggiore difficoltà è data dalla esposizione cronica a campi elettromagnetici al di sotto dei livelli raccomandati dalle linee guida, o dalla mancanza di qualunque comprensione della natura del danno sanitario, ammesso che ne esista uno. Mentre il peso delle evidenze che si richiedono per attivare una politica cautelativa è indiscutibilmente inferiore a quello richiesto per definire delle linee guida di esposizione, è chiaro che un rischio deve essere identificato e che occorre una certa comprensione di quali siano le condizioni in cui questo rischio può verosimilmente presentarsi.

Un’altra difficoltà è l’ubiquità, nella società moderna, dell’esposizione a campi elettromagnetici, a livelli ed entro intervalli di frequenze molto variabili. È quindi difficile creare politiche cautelative che siano coerenti ed eque. Per esempio, in tipici ambienti urbani si trova una moltitudine di sorgenti di radiofrequenze, che vanno da trasmettitori a bassa potenza per telecomunicazioni fino ad impianti a potenza molto alta per la diffusione radiotelevisiva. E’ difficile immaginare una politica cautelativa coerente ed equa che minimizzi l’esposizione ai campi elettromagnetici a radiofrequenza delle stazioni base per telefonia cellulare, data la presenza di sorgenti molto più potenti nella medesima area urbana. Di fatto, i tentativi di realizzare una politica cautelativa per le antenne della telefonia cellulare sono stati generalmente parziali, senza alcuna attenzione verso altre sorgenti (molto più potenti) di energia a radiofrequenza nell’ambiente.

 

 

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