Magnetismo e elettromagnetismo

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Magnetismo

In fisica il magnetismo è quel fenomeno per cui alcuni materiali sono in grado di attrarre ferro e altri elementi metallici.

Nel 600 aC Talete di Mileto descrive la particolare proprietà di alcune rocce che erano in grado di attrarre pezzi di ferro. Queste rocce si trovavano in Grecia nella regione di Magnesia, da cui il nome della roccia, magnetite (Fe3O4 è un ossido di ferro), e quello del fenomeno: magnetismo.
Nel sedicesimo secolo William Gilbert condusse diversi esperimenti con bussole e nel suo De Magnete descrisse la Terra come un gigante magnete.

Caratteristiche del magnetismo

Con un magnete, una lastra di vetro e della limatura di ferro si può caratterizzare meglio il comportamento di un magnete; in alternativa si possono utilizzare una o più bussole, come nel video che segue, in cui vengono illustrate le principali proprietà dei magneti (NdA attivate i sottotitoli autogenerati in italiano):

In sintesi: - in un magnete ci sono due regioni di maggior magnetismo, i __poli magnetici__, chiamiamoli A e B, che per un magnete a forma di parallelepipedo coincidono con le estremità della barretta; - se avviciniamo due magneti facendo sì che le estremità dello stesso tipo si fronteggino (A-A o B-B), i magneti si respingono; se avviciniamo estremità di tipo opposto (A-B o B-A) i magneti si attraggono; - un magente esercita un'azione a distanza nello spazio che lo circonda, il __campo magnetico__, la cui azione può essere descritta dalle _linee di forza_ evidenziate dal disegno che forma la limatura di ferro; l'azione del campo magnetico diminuisce all'aumentare della distanza.

Fenomeni elettrici e fenomeni magnetici

Da quanto visto finora, i fenomeni magnetici mostrano delle somiglianza con quelli elettrici, ma è importante sottolineare quali sono le differenze fondamentali: nei fenomeni elettrici sappiamo che quello che osserviamo è il risultato dell’interazione tra cariche elettriche negative e positive (elettroni e protoni), che si trovano negli atomi, mentre nel magnetismo non abbiamo delle particelle di tipo A e B responsabili delle interazioni magnetiche: i poli magnetici si presentano sempre in coppia e non sono separabili; inoltre i fenomeni elettrici sono temporanei, mentre la maggior parte dei magneti sono magneti permanenti.

Dal magnetismo all’elettro-magnetismo: gli esperimenti di Oersted e Faraday

Nel 1821 Hans Christian Oersted scoprì che un cavo percorso da corrente era in grado di deflettere l’ago di una bussola, e dunque osservò che una corrente elettrica genera un campo magnetico.

Nel 1831 Michael Faraday introdusse la legge di induzione elettromagnetica, per cui un campo magnetico variabile nel tempo induce una corrente elettrica alternata.

Elettromagnetismo

Dopo gli esperimenti di Oersted e Faraday si capisce che fenomeni elettrici e fenomeni magnetici sono strettamente connessi e si influenzano a vicenda, si entra così nel territorio dell'elettro-magnetismo.

Le equazioni di Maxwell

Una descrizione completa dell’interazione elettromagnetica fu possibile con l’introduzione delle leggi di Maxwell. Queste equazioni apparirono per la prima volta al completo nel testo A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, pubblicato da James Clerk Maxwell nel 1865.
Esse raggruppano ed estendono le leggi dell’elettromagnetismo note fino alla metà del XIX secolo e esprimono l’evoluzione temporale e i vincoli a cui è soggetto il campo elettromagnetico.

Le equazioni di Maxwell spiegano come delle cariche elettriche che vibrano creino un disturbo nel campo elettrico e come da questa variazione del campo elettrico si generi un campo magnetico che varia nel tempo e nello spazio che a sua volta induce una nuova variazione nel campo elettrico, che a sua volta modifica il campo magnetico e così via: il risultato dell’interazione tra campo elettrico e campo magnetico è il campo elettromagnetico che si propaga come onda trasversale nello spazio e nel tempo (vedi post Onde) viaggiando alla velocità della luce.

L’esperimento di Hertz e la scoperta delle onde radio

Nel 1887 Heinrich Rudolf Hertz mise a punto un dispositivo sperimentale per verificare l’ipotesi di Maxwell.


In particolare Hertz creò un oscillatore costituito da pomelli di ottone lucidato connessi a una bobina di induzione e separati da una piccola apertura.
Quando la bobina di induzione veniva messa in funzione tra i due pomelli si sviluppavano delle scintille che oscillavano avanti e indietro tra i terminali del circuito.

Se la teoria di Maxwell era corretta, queste variazioni del campo elettro-magnetico (le scintille) avrebbero dovuto propagarsi nello spazio come onde elettromagentiche.
Hertz mise così a punto un ricevitore formato semplicemente da un anello di materiale conduttore; le estremità dell’anello erano separate da una piccola apertura e il ricevitore si trovava a diversi metri di distanza dall’oscillatore.
Il ragionamento di Hertz era pressapoco il segeuente: se le cariche elettriche in vibrazione (le scintille) si fossero propagate come onde elettromagnetiche, queste avrebbero dovuto raggiungere il ricevitore e avrebbero potuto indurre una differenza di potenziale ai capi dell’anello ricevitore generando delle scintille tra le estremità dell’anello.
Il ragionamento di Hertz si dimostrò corretto: le scintille (originali) che si originavano al trasmettitore viaggiavano in aria fino al ricevitore e lì si manifestavano nuovamente come scintille (secondarie) ai capi dell’anello.

Hertz aveva appena creato la prima trasmissione senza fili.