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Nel 1600,circa quattrocento anni fa
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Gilbert, scienziato alla corte della Regina Elisabetta I d'Inghilterra, pubblicò
il suo grande studio sul magnetismo "De Magnete".Esso forniva
la prima spiegazione razionale alla misteriosa capacità dell'ago magnetico di
orientarsi in direzione Nord-Sud:
la Terra stessa è magnetica.
"De
magnete" aprì l'era della fisica e dell'astronomia moderna e diede inizio
ad un secolo caratterizzato dalle grandi acquisizioni di Galileo, Kepler,Newton
ed altri.
| "Sul
magnete"
di
William Gilbert di Colchester
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"If I had seen further, it is by standing
on the shoulders of Giants"
Newton ad Hooke, 1676
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Quale
pietra miliare segna l'inizio della scienza moderna?
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William Gilbert
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Qualcuno citerà
Copernico (1572), Keplero (1609) o Galileo (1610),ma "De
Magnete" pubblicato nel 1600 da William Gilbert ha altrettanto
diritto ad essere citato.Meravigliato dalla inspiegabile capacità
dell'ago della bussola di puntare verso il Nord, Gilbert decise di
imparare tutto ciò che poteva sul magnetismo.Egli incominciò leggendo
ed esaminando tutta la letteratura esistente, piuttosto
scarsa;successivamente ed eseguì i suoi esperimenti, non solo sulle
forze magnetiche ma anche su quelle elettriche,intuendo che esse erano
in qualche modo correlate. I suoi studi si interessarono non solo dei
magneti naturali ma anche del ferro magnetizzato artificialmente.Egli
comprese pienamente anche il magnetismo indotto,cioè il fatto
che un pezzo di ferro non magnetico prendeva temporaneamente tutte le
proprietà dei magneti permanenti se posto vicino ad uno di essi. |
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Egli allora osservò che quando un
piccolo ago da bussola ("versorium") veniva mosso intorno alla
superficie di un magnete sferico,esso riproduceva fedelmente il
comportamento dell'ago della bussola.Non solo l'ago puntava verso il
polo quando era costretto in un piano "orizzontale" tangente
alla sfera, ma esso si inclinava verso il basso di un certo angolo
quando era imperniato in un asse orizzontale, riproducendo la "
depressione magnetica" scoperta nel 1581 da Robert Norman.Gli
esperimenti di Gilbert con la su a"terrella" (piccola Terra)
sferica lo convinsero di ciò che deivenne la sua principale scoperta.La
misteriosa direzionalità dell'ago della bussola,egli propose, risultava
dal fatto che
la Terra stessa è un magnete gigante. |
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Non tutte le ipotesi di Gilbert hanno superato la
prova del tempo. Gilbert credeva che il magnetismo della terra e la
sua rotazione avessero una causa comune:il fatto che il Nord
magnetico ed il Nord astronomico fossero così vicini sembrava più di
una coincidenza.Riguardo alla rotazione della Terra Gilbert non ha mai
avuto dubbi.Altri avrebbero potuto vedere la Terra come il centro della
creazione , intorno alla quale le stelle e gli altri astri ruotavano, ma
non Gilbert, che calcolò le velocità implicate e le trovò enormemente
grandi.
Se la rotazione ed il magnetismo andassero di pari
passo,come mai l'ago della bussola raramente puntava al vero Nord
ma mostrava una piccola variazione, oggi detta declinazione?Gilbert
ingegnosamente propose che se la Terra fosse una sfera perfetta, le due
direzioni coinciderebbero sempre.Comunque, la Terra non è affatto
sferica:l'oceano Atlantico forma una depressione sulla sua
superficie(l'acqua non sembra contribuire al magnetismo), mentre
l'Europa e l'Africa ad Est e l'America ad Ovest emergono sulla
superficie media e possono aggiungere attrazione magnetica.
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Dopo aver
posto la sua ipotesi,
Gilbert la verificò sperimentalmente prendendo un magnete naturale di
forma pressocchè sferica ma tale da riprodurre gli avvallamenti e
gli innalzamenti della superficie terrestre: muovendo l'ago della
bussola intorno alla terrella, Gilbert trovò conferma alla sue ipotesi
in quanto l'ago riproduceva sia l'inclinazione verso i poli magnetici
sia l'angolo di declinazione in vicinanza delle deformazioni della
superficie. Poichè sia le depressioni che le cime del globo non sono
mai variati ( almeno nella scala della storia umana) egli predisse
arditamente che la "variazione"sarebbe rimasta costante.
Sfortunatamente, anche le previsioni basate sull'evidenza sperimentale
possono fallire. Come scoprì Gellibrand intorno al 1634, il campo
magnetico cambia costantemente,e questo è il motivo per cui ogni
decennio o quasi deve essere calcolato un nuovo IGRF (International
Geomagnetic Reference Field) .
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Il
magnetismo dopo Gilbert
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I primi studi del magnetismo
erano guidati da un motivo pratico:le navi che attraversavano
l'oceano si affidavano alla bussola magnetica.I loro comandanti
dovevano sapere perchè il "Nord magnetico" era diverso
dal "Nord vero".
Henry Gellibrand pubblicò nel 1635 la
prova che questa differenza cambiava leggermente nel tempo.Questa
scoperta era sconvolgente.Ciò significava che le osservazioni dei
rilevamenti locali della bussola diventavano imprecise dopo alcuni
decenni e quindi dovevano essere ripetuti di tempo in tempo.E, a
partire da un angolo teorico, come potevano le proprietà magnetiche
della Terra subire un tale graduale cambiamento?Nessun magnete
conosciuto si comportava così.
Edmond
Halley, noto per la scoperta della cometa, pervenne ad una ingegnosa spiegazione.
L'interno della Terra,egli
dichiarava, era costituito di strati, sfere dentro sfere.Ogni sfera
era magnetizzata indipendentemente e ciascuna ruotava lentamente
rispetto alle altre .Halley si pose in viaggio con una nave
rilevando numerose misure magnetiche;a partire dalle sue
osservazioni creò la prima carta magnetica che fu
diffusamente usata fino al 18° secolo, anche quando ormai non era
più aggiornata.
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E.Halley
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Nel 1724 George Graham notò che
l’ago della bussola si spostava di un piccolo angolo, per un
giorno o quasi;un secolo dopo Alexander von Humboldt avrebbe
chiamato questi eventi tempeste magnetiche. Questo effetto
era diffuso ovunque: Anders Celsius ad Uppsala ne osservò
una nello stesso periodo di Graham a Londra, ed un secolo dopo si
trovò che era a livello mondiale. Celsius osservò anche disturbi
magnetici collegati con le”luci del Nord”(aurore polari);al
nostro tempo questi eventi sono associati con le “sottotempeste
magnetiche”.
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Oersted ed Ampere mettono in
relazione
elettricità e magnetismo
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| Prima del 1820,il solo magnetismo conosciuto era
quello dei magneti di ferro e della magnetite.Ciò cambiò per opera di
un poco noto professore di scienze dell'Università di Copenhagen, Hans
Christian Oersted.
Nel 1820 Oersted progettò nella
sua
casa una dimostrazione scientifica per amici e studenti.Egli aveva
intenzione di provare il calore sviluppato in un filo da una corrente
elettrica, ed anche ottenere dimostrazioni del magnetismo, per le quali
si procurò un ago da bussola montato su un sostegno di legno.Mentre
eseguiva il suo esperimento elettrico, Oersted notò con sua sorpresa
che ogni volta che si chiudeva l'interruttore della corrente, l'ago
della bussola si muoveva.Nei mesi successivi egli lavorò duramente per
tentare di dare un senso al nuovo fenomeno.
Ma egli non ci riusciva! L'ago non era attratto dal
filo nè respinto da esso. Invece esso tendeva a formare un angolo
retto.Alla fine egli pubblicò le sue osservazioni senza alcuna
spiegazione.
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Ciò che vide Oersted
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H.C. Oersted
L'esperimento
di Oersted |
| Andre-Marie Ampere
in Francia intuì che se un filo esercitava
una forza magnetica sull'ago di una bussola, anche due fili simili
avrebbero dovuto interagire magneticamente.In una serie di ingegnosi
esperimenti egli dimostrò che questa interazione era semplice e
fondamentale:correnti rettilinee parallele si attraggono, correnti
antiparallele si respingono e la forza è inversamente proporzionale
alla distanza tra i fili.
Ecco come ciò può condurre alla nozione di poli
magnetici. Incurvando i fili in cerchi a distanza costante:
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-Due correnti circolanti nella stessa direzione
si attraggono tra loro
-Due correnti circolanti in direzioni opposte si respingono tra
loro.
Sostituisci ogni cerchio con una
bobina di 10, 100 o più avvolgimenti che trasportano la stessa corrente
e l'attrazione o la repulsione aumenterà di un uguale fattore.Infatti ogni
bobina agisce esattamente come un magnete con poli magnetici ad ogni
estremità( un elettromagnete). Ampere fece l'ipotesi che
ogni atomo di ferro contenesse una corrente circolante, trasformandolo
in un piccolo magnete, e che in questo magnete di ferro tutti questi
magneti atomici fossero allineati nella stessa direzione facendo
in modo che le loro forze magnetiche si sommassero.Oggi si direbbe che
gli elettroni che ruotano intorno al nucleo trasportano tale corrente,
ma la situazione è più complicata.
Due bobine con correnti nella stessa
direzione si attraggono e agiscono come magneti
La proprietà magnetica diventa anche
maggiore se un nucleo di ferro viene posto all'interno delle bobine,
creando un elettromagnete.
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Maxwell
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Così i due tipi di forza ,elettrica e magnetica,
furono poste in relazione tra loro.Nel 1864 James Clerk Maxwell dimostrò
una sottile connessione tra questi due tipi di forze, che
inaspettatamente coinvolgeva la velocità delle luce.Da questa
relazione nacquero l'idea che la luce fosse un fenomeno elettrico,la
scoperta delle onde radio, la teoria delle relatività ed il grande
sviluppo della fisica attuale.
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Gauss ed il Campo magnetico
globale
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Carl Friedrich
Gauss
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In un incontro del 1828 Humboldt suggerì al più grande
matematico tedesco del suo tempo, Carl Friedrich Gauss, che egli avrebbe
dovuto occupare il suo talento ai misteri del magnetismo. Gauss ed il
suo socio Weber allora costruirono un laboratorio per studiare il
magnetismo,in cui tra le altre cose,essi progettarono il primo
telegrafo magnetico al mondo.
A quel tempo, l'ago della bussola e l'ago che
"puntava in basso" sull'asse orizzontale misurava bene la
direzione della forza magnetica,ma cosa fare per misurare la sua
intensità? Gauss progettò un metodo semplice per farlo, usando un
magnete ausiliario .
Egli inoltre conosceva un metodo usato nella
meccanica celeste per analizzare la gravità, e lo applicò alla
descrizione della regione della Terra delle forze magnetiche.Anche
questo metodo è ancora in uso:esso rappresenta il campo come la somma
di un dipolo dominante Nord-Sud (2-polo, come una barra magnetica) la
cui intensità decresce con la distanza r come 1/r3, di un
"4-polo" decrescente come 1/r4 e di un
"8-polo" decrescente come 1/r5 e così
via.Il campo di un "monopolo" isolato decrescerebbe
presumibilmente come1/r2, al modo della gravità, ma nessun
tale singolo polo è stato mai osservato,essi vanno sempre almeno in
coppia.
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I nuovi strumenti per una migliore osservazione e
descrizione del campo magnetico della Terra condussero a migliori
osservazioni, estese a tutto il mondo. Gauss e Weber chiesero ed
ottennero la costruzione di una catena di osservatori in Siberia e dal
Canada alla Tasmania.La vasta rete informativa rese non solo possibili i
primi modelli globali del campo e la compilazione di importanti carte
magnetiche, ma dimostrarono anche il carattere
mondiale delle tempeste magnetiche.
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