La limatura di ferro mostra magnificamente i campi opposti degli stessi poli di due magneti a barra. Spencer Grant/Photographer's Choice RF/Getty Images Tutto è iniziato quando siamo andati a comprare una calamita per una dimostrazione sull'armatura liquida. Volevamo dimostrare che un campo magnetico può far sì che certi liquidi si comportino come solidi. Insieme alle piastre di Petri e alla limatura di ferro di cui avevamo bisogno, il catalogo di Steve Spangler Science aveva un magnete al neodimio descritto come "super forte". Abbiamo ordinato le nostre forniture, sperando che il magnete fosse abbastanza potente da creare un effetto che potremmo catturare su pellicola.
Il magnete non si è limitato a trasformare il nostro fluido di ferro e petrolio in un solido, a volte, la sua attrazione sul fluido incrinò la capsula di Petri che la reggeva. Una volta, il magnete è volato inaspettatamente dalla mano di un operatore video e in un piatto pieno di limatura secca, che richiedeva una notevole ingegnosità per essere rimossa. Si è anche aderito così saldamente alla parte inferiore di un tavolo di metallo che abbiamo dovuto usare un paio di pinze di bloccaggio per recuperarlo. Quando abbiamo deciso che sarebbe stato più sicuro tenere il magnete in tasca tra una ripresa e l'altra, le persone sono rimaste momentaneamente attaccate al tavolo, una scala e la porta dello studio.
Intorno all'ufficio, il magnete divenne oggetto di curiosità e oggetto di esperimenti estemporanei. La sua forza inquietante e la sua tendenza a saltare improvvisamente e rumorosamente da prese incaute alla superficie metallica più vicina ci hanno fatto pensare. Conoscevamo tutti le basi dei magneti e del magnetismo:i magneti attraggono metalli specifici, e hanno nord e sud poli . I poli opposti si attraggono mentre i poli simili si respingono. I campi magnetici ed elettrici sono correlati, e magnetismo, insieme alla gravità e alle forze atomiche forti e deboli, è una delle quattro forze fondamentali dell'universo.
Ma nessuno di questi fatti ha portato a una risposta alla nostra domanda più elementare. Cosa fa attaccare esattamente un magnete a determinati metalli? Per estensione, perchè non si attaccano ad altri metalli? Perché si attraggono o si respingono, a seconda del loro posizionamento? E cosa rende i magneti al neodimio tanto più forti dei magneti in ceramica con cui giocavamo da bambini?
La limatura di ferro (a destra) si allinea lungo le linee del campo magnetico di un magnete cilindrico al neodimio. Per comprendere le risposte a queste domande, aiuta ad avere una definizione di base di un magnete. I magneti sono oggetti che producono campi magnetici e attraggono i metalli come il ferro, nichel e cobalto. Il campo magnetico linee di forza esci dal magnete dal suo polo nord ed entra nel suo polo sud. Permanente o duro i magneti creano continuamente il proprio campo magnetico. Temporaneo o morbido i magneti producono campi magnetici mentre sono in presenza di un campo magnetico e per un breve periodo dopo essere usciti dal campo. Elettromagneti producono campi magnetici solo quando l'elettricità viaggia attraverso le loro bobine di filo.
La limatura di ferro (a destra) si allinea lungo le linee del campo magnetico di un magnete cubico al neodimio. Fino a poco tempo fa, tutti i magneti sono stati realizzati da metallo elementi o leghe . Questi materiali producevano magneti di diversa intensità. Per esempio:
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Molti dei dispositivi elettronici di oggi richiedono magneti per funzionare. Questa dipendenza dai magneti è relativamente recente, principalmente perché la maggior parte dei dispositivi moderni richiede magneti più forti di quelli che si trovano in natura. calamita , una forma di magnetite , è il magnete naturale più potente. Può attirare piccoli oggetti, come graffette e graffette.
Entro il XII secolo, le persone avevano scoperto che potevano usare la calamita per magnetizzare pezzi di ferro, creando un bussola . Lo sfregamento ripetuto della calamita lungo un ago di ferro in una direzione ha magnetizzato l'ago. Quindi si allineerebbe in direzione nord-sud quando sospeso. Infine, lo scienziato William Gilbert ha spiegato che questo allineamento nord-sud degli aghi magnetizzati era dovuto al comportamento della Terra come un enorme magnete con i poli nord e sud.
L'ago di una bussola non è così forte come molti dei magneti permanenti usati oggi. Ma il processo fisico che magnetizza gli aghi della bussola e i pezzi di lega al neodimio è essenzialmente lo stesso. Si basa su regioni microscopiche note come domini magnetici , che fanno parte della struttura fisica di materiali ferromagnetici , come il ferro, cobalto e nichel. Ogni dominio è essenzialmente un piccolo, magnete autonomo con polo nord e polo sud. In un materiale ferromagnetico non magnetizzato, ciascuno dei poli nord 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.
In un materiale ferromagnetico non magnetizzato, domini puntano in direzioni casuali. Nei magneti, d'altra parte, la maggior parte o tutti i domini magnetici puntano nella stessa direzione. Piuttosto che cancellarsi l'un l'altro, i campi magnetici microscopici si combinano per creare un grande campo magnetico. Più domini puntano nella stessa direzione, più forte è il campo complessivo. Il campo magnetico di ogni dominio si estende dal suo polo nord al polo sud del dominio che lo precede.
In un magnete, la maggior parte o tutti i domini puntano nella stessa direzione. 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, essenzialmente creando un magnete più grande. Come i poli si respingono perché le loro linee di forza viaggiano in direzioni opposte, scontrandosi tra loro piuttosto che muoversi insieme.
Il collegamento del polo nord di un magnete al polo sud di un altro magnete crea essenzialmente un magnete più grande.
La limatura di ferro si allinea lungo i campi magnetici di quattro piccoli magneti. Dopo aver rimosso il magnete, la limatura continuerà ad avere i propri deboli campi magnetici. Per fare un magnete, tutto ciò che devi fare è incoraggiare i domini magnetici in un pezzo di metallo a puntare nella stessa direzione. Ecco cosa succede quando strofini un ago con un magnete:l'esposizione al campo magnetico incoraggia i domini ad allinearsi. Altri modi per allineare i domini magnetici in un pezzo di metallo includono:
Due di questi metodi sono tra le teorie scientifiche su come si forma la calamita in natura. Alcuni scienziati ipotizzano che la magnetite diventi magnetica quando viene colpita da un fulmine. Altri teorizzano che pezzi di magnetite siano diventati magneti quando la Terra si è formata per la prima volta. I domini erano allineati con il campo magnetico terrestre mentre l'ossido di ferro era fuso e flessibile.
Il metodo più comune per realizzare i magneti oggi consiste nel posizionare il metallo in un campo magnetico. Il campo esercita coppia sul materiale, incoraggiare i domini ad allinearsi. C'è un leggero ritardo, conosciuto come isteresi , tra l'applicazione del campo e il cambio di dominio:ci vogliono alcuni istanti prima che i domini inizino a muoversi. Ecco cosa succede:
La forza del magnete risultante dipende dalla quantità di forza utilizzata per spostare i domini. La sua permanenza, o ritenzione , dipende da quanto è stato difficile incoraggiare i domini ad allinearsi. I materiali difficili da magnetizzare generalmente mantengono il loro magnetismo per periodi più lunghi, mentre i materiali facili da magnetizzare spesso ritornano al loro stato non magnetico originale.
Puoi ridurre la forza di un magnete o smagnetizzarlo completamente esponendolo a un campo magnetico allineato nella direzione opposta. Puoi anche smagnetizzare un materiale riscaldandolo sopra il suo punto curie , o la temperatura alla quale perde il suo magnetismo. Il calore distorce il materiale ed eccita le particelle magnetiche, causando il disallineamento dei domini.
Magneti di spedizioneGrande, potenti magneti hanno numerosi usi industriali, dalla scrittura dei dati all'induzione di corrente nei fili. Ma spedire e installare magneti enormi può essere difficile e pericoloso. Non solo i magneti possono danneggiare altri oggetti durante il trasporto, possono essere difficili o impossibili da installare al loro arrivo. Inoltre, i magneti tendono a raccogliere una serie di detriti ferromagnetici, che è difficile da rimuovere e può anche essere pericoloso.
Per questa ragione, le strutture che utilizzano magneti molto grandi spesso dispongono di apparecchiature in loco che consentono loro di trasformare i materiali ferromagnetici in magneti. Spesso, il dispositivo è essenzialmente un elettromagnete.
Per saperne di più
Una vista semplificata di un atomo, con un nucleo ed elettroni orbitanti Se hai letto Come funzionano gli elettromagneti, sai che una corrente elettrica che si muove attraverso un filo crea un campo magnetico. Le cariche elettriche in movimento sono responsabili anche del campo magnetico nei magneti permanenti. Ma il campo di un magnete non proviene da una grande corrente che viaggia attraverso un filo:viene dal movimento di elettroni .
Molte persone immaginano gli elettroni come minuscole particelle che orbitano attorno a un atomo nucleo il modo in cui i pianeti orbitano attorno al sole. Come spiegano attualmente i fisici quantistici, il movimento degli elettroni è un po' più complicato di così. Essenzialmente, gli elettroni riempiono il guscio di un atomo orbitali , dove si comportano sia come particelle che come onde. Gli elettroni hanno a carica e un messa , così come un movimento che i fisici descrivono come rotazione in una direzione verso l'alto o verso il basso. Puoi saperne di più sugli elettroni in Come funzionano gli atomi.
In genere, gli elettroni riempiono gli orbitali dell'atomo in coppie . Se uno degli elettroni di una coppia ruota verso l'alto, l'altro gira verso il basso. È impossibile che entrambi gli elettroni di una coppia ruotino nella stessa direzione. Questo fa parte di un principio quanto-meccanico noto come Principio di esclusione di Pauli .
Anche se gli elettroni di un atomo non si spostano molto lontano, il loro movimento è sufficiente per creare un minuscolo campo magnetico. Poiché gli elettroni accoppiati ruotano in direzioni opposte, i loro campi magnetici si annullano a vicenda. Atomi di elementi ferromagnetici, d'altra parte, hanno diversi elettroni spaiati che hanno lo stesso spin. Ferro da stiro, Per esempio, ha quattro elettroni spaiati con lo stesso spin. Poiché non hanno campi opposti per annullare i loro effetti, questi elettroni hanno an momento magnetico orbitale . Il momento magnetico è a vettore -- ha una grandezza e una direzione. È correlato sia all'intensità del campo magnetico che alla coppia esercitata dal campo. I momenti magnetici di un intero magnete provengono dai momenti di tutti i suoi atomi.
Un atomo di ferro e i suoi quattro elettroni spaiati In metalli come il ferro, il momento magnetico orbitale incoraggia gli atomi vicini ad allinearsi lungo le stesse linee di campo nord-sud. Il ferro e altri materiali ferromagnetici sono cristallini. Mentre si raffreddano da uno stato fuso, gruppi di atomi con spin orbitale parallelo si allineano all'interno della struttura cristallina. Questo forma i domini magnetici discussi nella sezione precedente.
Potresti aver notato che i materiali che creano buoni magneti sono gli stessi che i materiali attraggono. Questo perché i magneti attraggono materiali che hanno elettroni spaiati che ruotano nella stessa direzione. In altre parole, la qualità che trasforma un metallo in un magnete attira anche il metallo verso i magneti. Molti altri elementi sono diamagnetico -- i loro atomi spaiati creano un campo che respinge debolmente un magnete. Alcuni materiali non reagiscono affatto con i magneti.
Questa spiegazione e la sua fisica quantistica sottostante sono abbastanza complicate, e senza di loro l'idea di attrazione magnetica può essere mistificante. Quindi non sorprende che le persone abbiano visto i materiali magnetici con sospetto per gran parte della storia.
Magneti di misurazionePuoi misurare i campi magnetici usando strumenti come metri di gauss , e puoi descriverli e spiegarli usando numerose equazioni. Ecco alcune delle basi:
Treno Transrapid all'Emsland, impianto di prova in Germania Immagine utilizzata sotto GNU Free Documentation License Ogni volta che usi un computer, stai usando i magneti. Un disco rigido si basa su magneti per memorizzare i dati, e alcuni monitor utilizzano magneti per creare immagini sullo schermo. Se la tua casa ha un campanello, probabilmente usa un elettromagnete per azionare un noisemaker. I magneti sono anche componenti vitali nei televisori CRT, Altoparlanti, microfoni, generatori, trasformatori, motori elettrici, antifurto, cassette, bussole e tachimetri per auto.
Oltre ai loro usi pratici, i magneti hanno numerose proprietà sorprendenti. Possono indurre corrente nel filo e fornire coppia per motori elettrici. Un campo magnetico abbastanza forte può far levitare piccoli oggetti o anche piccoli animali. I treni Maglev utilizzano la propulsione magnetica per viaggiare ad alta velocità, e i fluidi magnetici aiutano a riempire di carburante i motori a razzo. Il campo magnetico terrestre, Conosciuto come il magnetosfera , lo protegge dal vento solare . Secondo la rivista Wired, alcune persone impiantano persino minuscoli magneti al neodimio nelle dita, consentendo loro di rilevare i campi elettromagnetici [Fonte:Wired].
Le macchine per la risonanza magnetica (MRI) utilizzano campi magnetici per consentire ai medici di esaminare gli organi interni dei pazienti. I medici usano anche campi elettromagnetici pulsati per trattare le ossa rotte che non sono guarite correttamente. Questo metodo, approvato dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti negli anni '70, può riparare ossa che non hanno risposto ad altri trattamenti. Impulsi simili di energia elettromagnetica possono aiutare a prevenire la perdita ossea e muscolare negli astronauti che si trovano in ambienti a gravità zero per lunghi periodi.
I magneti possono anche proteggere la salute degli animali. Le mucche sono suscettibili a una condizione chiamata reticolopericardite traumatica , o malattia dell'hardware , che deriva dall'ingerimento di oggetti metallici. Gli oggetti ingeriti possono perforare lo stomaco di una mucca e danneggiarne il diaframma o il cuore. I magneti sono fondamentali per prevenire questa condizione. Una pratica prevede il passaggio di un magnete sul cibo delle mucche per rimuovere oggetti metallici. Un altro è quello di alimentare i magneti alle mucche. Lungo, magneti alnico stretti, conosciuto come magneti di mucca , può attirare pezzi di metallo e aiutare a prevenire che feriscano lo stomaco della mucca. I magneti ingeriti aiutano a proteggere le mucche, ma è comunque una buona idea mantenere le aree di alimentazione libere da detriti metallici. Le persone, d'altra parte, non dovrebbe mai mangiare magneti, poiché possono aderire insieme attraverso le pareti intestinali di una persona, bloccando il flusso sanguigno e uccidendo i tessuti. Negli umani, i magneti ingeriti spesso richiedono un intervento chirurgico per essere rimossi.
Magneti di mucca Foto per gentile concessione di Amazon Alcune persone sostengono l'uso della magnetoterapia per trattare un'ampia varietà di malattie e condizioni. Secondo i praticanti, solette magnetiche, bracciali, collane, le imbottiture e i cuscini del materasso possono curare o alleviare tutto, dall'artrite al cancro. Alcuni sostenitori suggeriscono anche che il consumo di acqua potabile magnetizzata può trattare o prevenire vari disturbi. Gli americani spendono circa 500 milioni di dollari all'anno in trattamenti magnetici, e le persone in tutto il mondo spendono circa $ 5 miliardi. [Fonte:Winemiller tramite NCCAM].
I sostenitori offrono diverse spiegazioni su come funziona. Uno è che il magnete attrae il ferro che si trova nell'emoglobina nel sangue, migliorare la circolazione in un'area specifica. Un altro è che il campo magnetico cambia in qualche modo la struttura delle cellule vicine. Però, studi scientifici non hanno confermato che l'uso di magneti statici abbia alcun effetto sul dolore o sulla malattia. Gli studi clinici suggeriscono che i benefici positivi attribuiti ai magneti potrebbero effettivamente derivare dal passare del tempo, ammortizzazione aggiuntiva in solette magnetiche o l'effetto placebo. Inoltre, l'acqua potabile non contiene tipicamente elementi che possono essere magnetizzati, rendendo discutibile l'idea dell'acqua potabile magnetica.
Alcuni sostenitori suggeriscono anche l'uso di magneti per ridurre l'acqua dura nelle case. Secondo i produttori di prodotti, i magneti di grandi dimensioni possono ridurre il livello di calcare dell'acqua dura eliminando i minerali ferromagnetici dell'acqua dura. Però, i minerali che generalmente causano la durezza dell'acqua non sono ferromagnetici. Uno studio di due anni Consumer Reports suggerisce anche che il trattamento dell'acqua in ingresso con i magneti non modifica la quantità di accumulo di calcare in uno scaldabagno domestico.
Anche se non è probabile che i magneti pongano fine al dolore cronico o eliminino il cancro, sono ancora affascinanti da studiare.
Poli magneticiUn magnete può avere più poli nord e sud, e questi poli si verificano sempre in coppie . Non ci può essere polo nord senza un corrispondente polo sud, nessun polo sud senza un corrispondente nord.
Pubblicato originariamente:2 aprile 2007
