Teorie sull'origine del magnetismo terrestre
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La proposta di Blackett
E' un fatto misterioso che
l'asse magnetico della Terra sia vicino al suo asse di rotazione e che i
poli magnetici, dove la forza magnetica è diretta verso il basso, siano
molto vicini a quelli geografici. Varie ipotesi si affermarono nel corso
del tempo; tra queste, la teoria per cui la Terra fosse magnetica per la
presenza di un nucleo di ferro magnetizzato al suo centro.
L’ipotesi, accettata fino al
periodo di Faraday,decadde però quando ci si rese conto
che nessuna magnetizzazione poteva sussistere in un nucleo ad una
temperatura ben maggiore della “temperatura di
Curie”caratteristica del ferro.
Anche l’ipotesi che attribuiva il campo magnetico terrestre alla
sola azione del vento solare non resse alla verifica delle
acquisizioni successive.
Gilbert riteneva che la Terra ruotasse perchè era magnetica;
P.M. Blackett considerò seriamente la possibilità opposta,
cioè che la Terra fosse magnetica perchè ruota intorno al
suo asse. Blackett allo stesso tempo suggerì che forse esisteva un
nuovo fenomeno universale per cui ogni oggetto rotante fosse
intrinsecamente magnetico.
All'inizio non
sembrò una cattiva idea: gli elettroni ed i protoni, per
esempio, hanno uno "spin" intrinseco che dà loro
proprietà simili a quelle degli oggetti solidi rotanti,ed
essi hanno anche una magnetizzazione intrinseca che li rende
dei piccoli magneti, allineati con i loro assi di spin. Nei
materiali normali questi magneti atomici puntano in tutte le
direzioni possibili, cosicché i loro effetti si annullano.
Riguardo
alla Terra però Blackett sbagliava.
Gli esperimenti
con i corpi rotanti,che secondo la sua teoria dovevano
produrre magnetizzazione misurabile, non ne mostravano
nessuna.
Le osservazioni
successive provarono anche che durante gli ultimi dieci
milioni di anni, le polarità magnetiche della Terra si sono
invertite diverse volte e ciò, secondo le previsioni di
Blackett , non poteva verificarsi.
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Il
metodo della dinamo
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Una
dinamo(
o generatore elettrico) è un dispositivo che trasforma energia
meccanica in energia elettrica.
Il concetto risale a
Michel Faraday (1791-1867) il quale scoprì che muovendo un magnete
vicino ad un circuito elettrico chiuso, o facendo variare il campo
magnetico che passa attraverso ad esso, una
corrente elettrica può essere indotta a passare nel
circuito.Questa “induzione elettromagnetica” rimane il principio
alla base dei generatori elettrici, dei trasformatori e molti altri
dispositivi.
Faraday
dimostrò che un altro modo per indurre la corrente consisteva nel far
muovere il conduttore elettrico mentre la sorgente magnetica
stava ferma. Questo era il principio di base della dinamo a disco che
consisteva in un disco conduttore rotante in un campo magnetico,
collegato ad una cinghia e ad una puleggia. Il circuito elettrico era
poi completato da fili fissi che toccavano il disco sul bordo e
sull’asse, come è mostrato sulla destra del disegno.
Questo non è un progetto di dinamo molto pratico, ma nell’universo
in larga scala, molte correnti sono apparentemente prodotte da moti di
questo genere.
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Michel Faraday
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La dinamo a disco
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La dinamo a disco di
Faraday richiede
un campo magnetico per produrre una corrente elettrica. E’
possibile che la corrente che viene generata sia anche capace di
produrre il campo magnetico che il funzionamento della dinamo
richiede?
Ciò era, al nocciolo, quanto Larmor pensava che avvenisse nelle
macchie solari.
A
prima vista questo sembrerebbe un problema del tipo “l’uovo e la
gallina”; infatti per produrre una corrente è necessario un
campo magnetico, ma per produrre un campo magnetico è necessaria una
corrente.
Da dove si inizia? In effetti,deboli campi magnetici sono sempre
presenti e sarebbero gradualmente amplificati dal funzionamento della
dinamo.
Si potrebbe,ad esempio, collegare due dinamo di
Faraday, in modo che ciascuna fornisca la corrente necessaria per
produrre il campo magnetico richiesta dall’altra.
Esse potrebbero ( in linea di principio) formare una
dinamo che si autoalimenta e che
ricava la sua energia da qualunque forza che faccia ruotare i dischi.
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La dinamo geomagnetica
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Osservazioni del campo
magnetico alla superficie della Terra indicano che più del 90% di
questo campo proviene da sorgenti interne al pianeta. Sono stati
proposti diversi meccanismi capaci di generare questo campo, ma
attualmente solo la dinamo geomagnetica viene considerata
seriamente.
Nel meccanismo della
dinamo, il moto fluido nel nucleo muove il materiale conduttore
attraverso il campo magnetico esistente e crea una corrente elettrica.
Questa corrente produce un campo magnetico che interagisce anch’esso
con il moto del fluido per creare un campo magnetico secondario con la
stessa orientazione del campo originale.
I due campi associati
sono più intensi degli originali.L’energia addizionale nel campo
amplificato deriva da una diminuzione nell’energia del moto del
fluido.
Il flusso termico nel nucleo è il procedimento che guida
il moto del fluido. Per molti anni si è ritenuto che questo calore
fosse causato dagli elementi radioattivi dissolti nel nucleo liquido.
Per la
Terra, il ferro liquido è conduttore, un campo magnetico iniziale è
verosimile e la forza di Coriolis introduce le perturbazioni del
fluido. La forza di Coriolis è la forza subita da un fluido in
o su un corpo in rotazione. E’ la stessa forza che crea le tempeste
cicloniche nell’atmosfera della Terra, e nell’emisfero Nord causa
la rotazione antioraria di un fluido che si innalza in direzione
radiale.
Il più
semplice campo magnetico è dipolare ; un tale campo può essere prodotto
da un singolo circuito chiuso di corrente elettrica che ruota intorno all’asse di rotazione della Terra nel piano equatoriale.
La debole resistenza elettrica della Terra conduttrice, comunque,
avrebbe da lungo tempo dissipato questa corrente se non venisse
continuamente rigenerata.
Questa rigenerazione è
complessa e dipende sia dal moto di risalita, che dalla rotazione del
nucleo fluido.
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