Come funzionano i magneti

Probabilmente sai che i magneti attraggono metalli specifici e hanno poli nord e sud. I poli opposti si attraggono mentre i poli simili si respingono. I campi magnetico ed elettrico sono correlati e il magnetismo, insieme alla gravità e alle forze atomiche forti e deboli, è una delle quattro forze fondamentali dell'universo.

Ma nessuno di questi fatti risponde alla domanda più elementare: cosa fa sì che un magnete si attacchi esattamente a determinati metalli? Oppure perché non si attaccano agli altri metalli? Perché si attraggono o si respingono a seconda del loro posizionamento? E cosa rende i magneti al neodimio così più forti dei magneti in ceramica con cui giocavamo da bambini?

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Per comprendere le risposte a queste domande, è utile avere una definizione di base di magnete. I magneti sono oggetti che producono campi magnetici e attraggono metalli come ferro, nichel e cobalto. Le linee di forza del campo magnetico escono dal magnete dal polo nord ed entrano nel polo sud. I magneti permanenti o duri creano continuamente il proprio campo magnetico. I magneti temporanei o morbidi producono campi magnetici mentre sono in presenza di un campo magnetico e per un breve periodo dopo essere usciti dal campo. Gli elettromagneti producono campi magnetici solo quando l'elettricità viaggia attraverso le loro bobine.

Poiché gli elettroni e i protoni sono piccoli magneti, tutti i materiali hanno una sorta di proprietà magnetica. Nella maggior parte dei materiali, tuttavia, il modo in cui gli elettroni ruotano in direzioni opposte annulla le proprietà magnetiche di un atomo. I metalli sono le scelte più comuni per produrre magneti. Sebbene alcuni siano costituiti da metalli semplici, le combinazioni di metalli, chiamate leghe, producono magneti di diversa intensità. Per esempio:

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Molti dei dispositivi elettronici odierni richiedono magneti per funzionare. Questa dipendenza dai magneti è relativamente recente, principalmente perché la maggior parte dei dispositivi moderni richiede magneti più potenti di quelli presenti in natura. La calamita, una forma di magnetite, è il magnete più potente presente in natura. Può attirare piccoli oggetti, come graffette e punti metallici.

Nel XII secolo, le persone avevano scoperto che potevano usare la calamita per magnetizzare pezzi di ferro, creando una bussola. Lo sfregamento ripetuto della calamita lungo un ago di ferro in una direzione magnetizzava l'ago. Si allineerebbe quindi in direzione nord-sud una volta sospeso. Alla fine, lo scienziato William Gilbert spiegò che questo allineamento nord-sud degli aghi magnetizzati era dovuto al fatto che la Terra si comportava come un enorme magnete con i poli nord e sud.

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L'ago di una bussola non è potente quanto molti dei magneti permanenti utilizzati oggi. Ma il processo fisico che magnetizza gli aghi delle bussole e i pezzi di lega di neodimio è essenzialmente lo stesso. Si basa su regioni microscopiche note come domini magnetici, che fanno parte della struttura fisica dei materiali ferromagnetici, come ferro, cobalto e nichel. Ogni dominio è essenzialmente un piccolo magnete autonomo con un polo nord e uno sud. In un materiale ferromagnetico non magnetizzato, il polo nord di ciascun dominio punta in una direzione casuale. I domini magnetici orientati in direzioni opposte si annullano a vicenda, quindi il materiale non produce un campo magnetico netto.

Nei magneti, invece, la maggior parte o tutti i domini magnetici puntano nella stessa direzione. Invece di annullarsi a vicenda, i microscopici campi magnetici si combinano per creare un grande campo magnetico. Più domini puntano nella stessa direzione, più forte è il campo complessivo. Il campo magnetico di ciascun dominio si estende dal polo nord al polo sud del dominio antistante.

Questo spiega perché spezzando un magnete a metà si creano due magneti più piccoli con i poli nord e sud. Spiega anche perché i poli opposti si attraggono: le linee di campo lasciano il polo nord di un magnete ed entrano naturalmente nel polo sud di un altro, creando essenzialmente un magnete più grande. I poli simili si respingono a vicenda perché le loro linee di forza viaggiano in direzioni opposte, scontrandosi tra loro anziché muoversi insieme.