Come funzionano i magneti: poli ed elettroni

Il magnetismo si riduce agli elettroni, secondo il National High Magnetic Field Laboratory (il MagLab). Ogni magnete ha un polo nord e un polo sud, i poli opposti si attraggono e i poli uguali si respingono.

1. Cosa hanno in comune tutti i magneti

Il MagLab elenca alcune proprietà condivise da tutti i magneti:

• Ogni magnete ha un polo nord e un polo sud.
• I poli opposti si attraggono e i poli uguali si respingono. Il nord attira il sud; il nord respinge il nord.
• Ogni magnete è circondato da un campo magnetico. Per convenzione, le linee di campo escono dal polo nord ed entrano nel polo sud.

Anche la Terra è un magnete gigante. Il MagLab spiega che gli scienziati ritengono che il campo magnetico terrestre derivi da correnti di convezione nel nucleo esterno liquido del pianeta, fatto in gran parte di ferro. Questo si chiama geodinamo.

2. Tutto si riduce agli elettroni

Secondo il MagLab, ogni magnetismo si riduce agli elettroni, in due modi:

1. Elettroni in movimento. Una corrente elettrica, cioè un flusso di elettroni in un filo, crea sempre un campo magnetico. È così che funzionano gli elettromagneti.
2. Elettroni che ruotano. Nei magneti permanenti, come quello del tuo frigorifero, il magnetismo deriva dallo spin degli elettroni. Ogni elettrone si comporta come un minuscolo magnete con il proprio polo nord e sud, e il suo asse può puntare in una di due direzioni possibili.

3. Perché la maggior parte delle cose non è magnetica

Se ogni elettrone è un minuscolo magnete, perché non tutto è magnetico?

Il MagLab spiega che nella maggior parte dei materiali gli atomi sono disposti in modo che l'orientamento magnetico di un elettrone annulli quello di un altro. Tutti quei minuscoli magneti puntano in direzioni opposte e i loro effetti si sommano in qualcosa che non si nota.

4. Cosa rende speciale il ferro: i domini magnetici

Il ferro e poche altre sostanze sono diversi. I loro atomi si raggruppano in piccole regioni chiamate domini magnetici. All'interno di ogni dominio, gli elettroni condividono lo stesso orientamento magnetico.

Allora perché un normale chiodo di ferro non è un magnete? Perché i domini stessi puntano in direzioni diverse, quindi nel complesso si annullano ancora a vicenda.

Metti quel chiodo in un campo magnetico e i domini iniziano ad allinearsi nella stessa direzione. Il MagLab descrive il risultato in modo semplice: un magnete permanente è un oggetto in cui tutti i domini sono allineati nello stesso modo.

I materiali che si comportano così si chiamano ferromagnetici. Il MagLab osserva che solo quattro elementi sono ferromagnetici a temperatura ambiente e possono essere magnetizzati in modo permanente: ferro, nichel, cobalto e gadolinio. Un quinto, il disprosio, diventa ferromagnetico solo a basse temperature. L'alluminio non è in questo elenco, ed è per questo che un magnete scivola via da una lattina di alluminio. Lo sportello di un frigorifero, invece, è uno dei magneti temporanei di uso quotidiano che il MagLab elenca nella sua attività per la classe.

5. Magneti permanenti e magneti temporanei

I magneti permanenti mantengono il magnetismo senza alcuna energia. Non si possono spegnere. Il MagLab cita i magneti in ceramica e l'alnico, una lega di alluminio, nichel e cobalto, come due tipi comuni.

I magneti temporanei si comportano da magneti solo finché sono in un campo magnetico. Il ferro dolce si comporta così, e il MagLab osserva che per questo viene usato come magnete temporaneo in dispositivi come telefoni e motori elettrici.

Lo si può vedere con le graffette. In un'attività per la classe del MagLab, una graffetta a contatto con un magnete diventa a sua volta un magnete e può reggere una seconda graffetta. Se allontani con delicatezza le due graffette, restano attaccate l'una all'altra per un po', perché i loro elettroni sono ancora ordinati. Se le lasci cadere su un tavolo, lo scossone scompiglia quell'ordine e il magnetismo si perde.

6. Come i magneti perdono forza

«Permanente» non vuol dire per sempre. Il MagLab descrive due modi principali per smagnetizzare un magnete:

• Calore. Aggiungere calore aggiunge energia che disturba l'allineamento. La temperatura alla quale un magnete non riesce più a mantenere il suo campo si chiama punto di Curie.
• Urto. Un colpo forte, per esempio di martello, può far uscire dall'allineamento i domini allineati.

Quanto dura un magnete dipende dal materiale. Il MagLab osserva che il ferro puro resta magnetizzato solo per pochi minuti, mentre molte leghe di ferro mantengono il magnetismo molto più a lungo.

7. Elettromagneti: magneti con un interruttore

Nel 1819 Hans Christian Ørsted notò che l'ago di una bussola girava quando era vicino a un filo percorso da corrente. Il MagLab spiega perché: la corrente genera sempre un campo magnetico che gira attorno al filo.

Un singolo filo dritto produce un campo debole. Il MagLab descrive come renderlo più forte:

1. Avvolgi il filo in una bobina. Formare delle spire combina i campi separati in uno molto più forte. Una bobina di questo tipo si chiama solenoide e il suo campo aumenta in proporzione al numero di spire. Dieci spire danno circa 10 volte il campo di una.
2. Aggiungi un nucleo di ferro. I domini del ferro si allineano con il campo della bobina e lo potenziano in modo significativo senza usare più elettricità.
3. Aumenta la corrente. Più potenza nella bobina significa un campo più forte.

Spegni la corrente e il campo scompare.

8. Quanto è forte un magnete?

Gli scienziati misurano l'intensità del campo magnetico in tesla e gauss, dove 1 tesla equivale a 10.000 gauss. Il MagLab fornisce alcuni confronti:

Gli elettromagneti possono arrivare molto più in alto dei magneti permanenti, ed è per questo che i laboratori di ricerca e gli apparecchi per la risonanza magnetica (MRI) degli ospedali si basano su di essi.

9. Punti chiave

• Ogni magnete ha un polo nord e un polo sud; i poli opposti si attraggono e i poli uguali si respingono.
• Il magnetismo deriva dagli elettroni, sia che scorrano come corrente sia che ruotino su se stessi.
• Nella maggior parte dei materiali i magneti degli elettroni si annullano; nel ferro e in pochi altri metalli si allineano in domini.
• Un magnete permanente è un materiale i cui domini puntano tutti nella stessa direzione; il calore o un colpo forte possono scompigliarli.
• Un elettromagnete è una bobina percorsa da corrente, spesso con un nucleo di ferro, e si spegne quando la corrente si interrompe.