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Se prendete un pezzo di legno e lo mettete vicino ad un altro pezzo di legno... non succede nulla.
E se prendete un pezzo di granito e lo mettete vicino ad un'altra roccia... ancora nulla.
Ma se prendete questo pezzo di ferro e lo mettete vicino a questo altro pezzo di ferro... magia!
Voglio dire, magneti.
Gli oggetti magnetici sono in grado di attrarsi magicamente a distanza poichè generano campi magnetici
che si estendono invisibili oltre l'oggetto. Ma il mistero è questo: da dove vengono
i campi magnetici?
Derek: beh, questo è facile, Henry! Sappiamo da lungo tempo che l'elettricità e il magnetismo
sono davvero solo due facce della stessa medaglia, quasi come *** ed energia o tempo e spazio,
e possono essere trasformati uno nell'altro. Infatti, i campi magnetici sono in sostanza ciò
in cui i campi elettrici si trasformano quando un oggetto caricato elettricamente inizia a muoversi!
Henry: Questo ha senso per spiegare perchè un flusso di elettroni che corre attraverso un filo
causa il movimento dell'ago di questa bussola, o come correnti nel nucleo esterno della Terra generano
il campo geomagnetico... ma una barra magnetica o lo stesso ago della bussola sono solo pezzi
di metallo senza alcuna corrente elettrica che li attraversa.
Derek: O invece lo sono? A livello microscopico, ci sono un sacco di elettroni che ronzano intorno
agli atomi e alle molecole che costituiscono qualsiasi solido.
Henry: Giusto! Questo porta ad un punto interessante - Il comportamento magnetico di qualsiasi
oggetto quotidiano è influenzato da un'affascinante combinazione di effetti che variano dal livello delle particelle,
a quello di atomi, gruppi di atomi, e gruppi di gruppi di atomi. Innazitutto, singole
particelle.
Diversamente dai quotidiani meccanismi della gravità e dell'elettricità, i magneti permanenti possono essere
completamente compresi solo come un effetto quantistico. Quasi allo stesso modo in cui particelle come elettroni e
quark hanno proprietà fondamentali chiamate *** e carica elettrica, la maggior parte delle particelle
ha anche un'altra intrinseca proprietà, chiamata "minuscolo magnete". Sto scherzando, è chiamata
"momento magnetico intrinseco," ma davvero, quello è solo un incompresibile gergo tecnico per dire che a particelle
con carica elettrica capita di essere anche minuscoli magneti.
Derek: Se volete sapere pechè sono minuscoli magneti, beh, potreste chiedervi anche perchè
le particelle hanno carica elettrica in primo luogo, o perchè oggetti con energia e quantità di moto
si attraggono gravitazionalmente. Nessuno lo sa... Sappiamo solo che questo è il modo
in cui funziona l'universo.
Henry: Esattamente, e a partire degli anni '20, sappiamo che ciascun singolo elettrone o protone è
sostanzialmente un minuscolo magnete. Ciò ci porta al livello degli atomi.
Un atomo è una manciata di protoni caricati positivamente con una manciata di elettroni caricati negativamente che
ci ronzano intorno. I minuscoli magneti protonici sono circa 1000 volte più deboli di quelli degli elettroni
quindi il nucleo dell'atomo non ha quasi alcun effetto sul magnetismo dell'atomo nel
suo complesso.
Derek: E potreste pensare che siccome molti (anche se non tutti) degli elettroni si stanno anche
muovendo, come una corrente in un filo, dovrebbero generare campi magnetici per quel movimento.
Infatti lo fanno, e questi sono chiamati campi magnetici "orbitali".
Henry: Eccetto che questi spesso non contribuiscono al campo magnetico di un atomo. Ecco perchè:
Gli elettroni negli atomi sono accuratamente e complicatamente descritti dalla Meccanica Quantistica, ma il punto
della storia è che gli elettroni si radunano in gusci intorno al nucleo. Gli elettroni
in ciascun guscio completo sfrecciano ugualmente in tutte le direzioni e quindi le correnti che generano si annullano a vicenda
e non generano alcun campo magnetico. Questi elettroni si trovano anche in coppie i cui minuscoli magneti puntano
in direzioni opposte e si annullano lo stesso.
Tuttavia, in un guscio mezzo pieno, tutti gli elettroni sono spaiati e i loro minuscoli magneti
puntano nella stessa direzione e si sommano, il che significa che è il magnetismo intrinseco degli elettroni
del guscio più esterno che dà all'atomo la maggioranza del suo campo magnetico.
Quindi atomi vicini al fianco di ciasun blocco principale della tavola periodica, che hanno gusci
elettronici esterni pieni (o quasi pieni), non sono molto magnetici. Ma atomi nel mezzo dei blocchi
hanno gusci elettroni esterni mezzi pieni e sono magnetici. Per esempio, Nichel, Cobalto,
Ferro, Manganese, Cromo, etc.
Derek: Aspetta, ma il cromo non è magnetico!
Henry: Ah, ma solo perchè un atomo è magnetico non significa che il materiale composto da molti
di quegli atomi sarà magnetico. Ciò ci porta al livello dei cristalli.
Quando un gruppo di atomi magnetici si dispongono insieme per fare un solido, generalmente hanno due opzioni.
La prima è che tutti gli atomi allineino i loro campi magnetici tra di loro, oppure possono
allineare i loro campi magnetici in modo alternato cosicchè si annullino tutti. Gli atomi
sceglieranno quello che richiederà meno energia.
Derek: Questo è il perchè il cromo, per esempio, è un atomo molto magnetico ma un solido molto
non-magnetico - dato che è uno dei materiali più anti-ferromagnetici che conosciamo. Il ferro, d'altro canto,
dà il nome stesso al ferromagnetismo, quindi è, prevedibilmente, ferromagnetico. O, nel
linguaggio comune: magnetico.
Henry: A volte.
L'ultimo e finale livello del magnetismo è quello dei domini. Essenzialmente, anche in un materiale
magnetico dove i campo magnetici degli atomi si allineano insieme, è possibile che un pezzo
del materiale abbia tutti i suoi atomi allineati che puntano in una direzione, e che un altro pezzo
abbia tutti i suoi atomi che puntano in un'altra direzione, e così via.
Derek: Se tutti questi "Domini" sono approssimativamente di dimensioni simili, nessuno potrebbe essere abbastanza forte
da costringere gli altri ad allinearsi con sè, e quindi un pezzo di ferro, per esempio, potrebbe non avere
campo magnetico a causa di tutti i regni magnetici in guerra al suo interno.
Henry: Tuttavia, se si applica un campo magnetico abbastanza forte dall'esterno del
materiale, si può aiutare un dominio a espandere il controllo sui suoi vicini,
e così via finchè tutti i domini sono stati unificati in un solo regno, tutti che puntano
nella stessa direzione.
Derek : E ora, finalmente, si può governare con il pugno di ferro... Voglio dire, magnete.
Henry: Esattamente! Ciò che è notevole è il fatto che il magnetismo è una proprietà quantica fondamentale
amplificata alle dimensioni degli oggetti quotidiani: ciascun magnete permanente è un promemoria che
la Meccanica Quantistica sta alla base del nostro universo - affinchè qualsiasi oggetto sia magnetico, deve avere
un regno unificato di domini magnetici, ciascuno composto da un'infinità di atomi magnetici
che devono anche essere allineati tra di loro, ciascuno dei quali può solo essere magnetico in
primo luogo se ha un guscio esterno di elettroni approssimativamente mezzo pieno cosìcchè i suoi
campi magnetici possono allinearsi e non cancellarsi a a vicenda. Non stranamente, questi criteri
sono molto difficili da rispettare, che è il motivo per cui ci sono solo un numero limitato di
materiali adatti che si possono usare quando si costruisce un magnete.
Derek: Oppure si potrebbe semplicemente far passare corrente attraverso qualsiasi conduttore elettrico e generare un campo
magnetico in quel modo. Henry: Ma hey... Come funziona quello per
cominciare? Clicca qui per andare su Veritasium e scopriremo che cosa la relatività speciale
e la velocità della luce hanno a che fare con gli elettromagneti.