Fin da piccoli tutti abbiamo giocato con le calamite: oggetti che si attraggono e si respingono senza toccarsi, come per magia. E se scoprissimo che è questa stessa magia ad aver formato i pianeti?
“Da qualche tempo, gli scienziati sospettano che anche il magnetismo possa avere un ruolo. Quello che fanno i campi magnetici, in particolare, è rimasto poco chiaro, in parte a causa della difficoltà di includere i campi magnetici accanto alla gravità nei modelli al computer usati per studiare la formazione dei pianeti”. Recita così l’articolo di le Scienze pubblicato qualche giorno fa. Ma come funziona il magnetismo?
Le forze che governano l’universo
Per i fan della Marvel no, non stiamo parlando di gemme dell’infinito. Stiamo parlando invece delle quattro forze fondamentali. Gli scienziati per secoli hanno osservato le interazioni della materia. Tra l’800 e il 900 si è cominciato a capire che tutto ciò che accade quando la materia interagisce con altra materia, può essere spiegato tramite 4 forze fondamentali. Queste forze sono l’interazione gravitazionale, quella elettromagnetica, l’interazione nucleare forte e quella debole. In 3 di queste quattro è stata provata l’esistenza di un mediatore. Un mediatore è una particella strettamente legata alla sua forza fondamentale. Quella dell’interazione elettromagnetica ad esempio è il fotone, che tutti noi ben conosciamo sotto forma di fasci come luce. L’unica a fare eccezione, per il momento, è l’interazione gravitazionale. Diversi scienziati hanno teorizzato l’esistenza dei gravitoni, ma ancora non ci sono prove certe della loro esistenza. Come ci è stato detto fin dalle elementari, i pianeti e in generale i corpi celesti sono molto legati alla forza di gravità. Noi ad esempio rimaniamo con i piedi per terra proprio grazie alla forza che il nostro pianeta esercita su di noi, e la Terra a sua volta si attrae vicendevolmente con la Luna e con il Sole. Sembra assurdo da dire, ma l’interazione gravitazionale è estremamente debole. Talmente debole che noi sentiamo quella del nostro pianeta solo perché vi siamo molto vicini (letteralmente sopra) e perché la Terra ha una massa enormemente grande rispetto agli oggetti con cui abbiamo a che fare ogni giorno. Per essere precisi, ogni oggetto attrae a sé gli altri per interazione gravitazionale, ma questa forza è talmente debole e talmente minuscola rispetto a quella che la Terra esercita su di noi, che c’è voluto il genio di Isaac Newton per riuscire a capirlo. Negli ultimi anni i planetologi stanno cercando di capire il processo esatto con cui si formino i pianeti. Come dice anche l’articolo sopra citato, a dominare la scena fino a poco tempo fa era la gravità. Ora però grazie agli strumenti di calcolo più avanzati, si sta riuscendo a includere il magnetismo nell’equazione. Sappiamo già che i campi magnetici dei pianeti e delle stelle siano molto importanti per la loro sopravvivenza, ma riguardo alla formazione rimangono ancora molti interrogativi. Il tratto interessante della gravità è che è solo attrattiva. In poche parole, due oggetti con una certa massa si attraggono sempre tra loro. Ora che lo sapete potete andare dal vostro grande amore mai realizzato e dire che sì, non eravate solo voi quelli attratti ma anche loro lo erano. Metafore filosofiche a parte, resta un problema con quello che ho appena detto. Se due oggetti si attraggono sempre per la gravità, per quanto sia debole, allora per quale motivo i magneti con cui giocavamo da piccoli si respingono?
Il magnetismo e il suo invisibile potere
Semplice. Perché a differenza della forza di gravità che è molto debole, la forza elettromagnetica è estremamente forte. Talmente forte che due magneti di piccole dimensioni, se disposti nel modo giusto, rimarranno a qualche millimetro di distanza anche se è lo zio grande e grosso a decidere di giocare con le calamite. La domanda allora sorge spontanea. Per quale motivo sperimentiamo la gravità, forza molto debole, ogni volta che camminiamo o ci alziamo dal letto, ma per renderci conto della forza elettromagnetica c’è bisogno di usare dei magneti o della corrente elettrica? La risposta non è semplice. Partiamo da un presupposto: la materia tende a rimanere neutra. Questo vuol dire che in ogni atomo di ogni molecola di ogni oggetto ho di solito lo stesso numero di protoni ed elettroni. Se non ricordate cosa siano, ecco una piccola rinfrescata. La materia che ci circonda è fatta di piccoli blocchi detti atomi, fatti a loro volta da protoni neutroni ed elettroni. Proprio come le persone possono essere di buono o di cattivo umore, queste particelle possono essere positive o negative. In questo caso, i protoni sono stati etichettati positivi, mentre gli elettroni negativi. Secondo la legge de “gli opposti si attraggono” che avrete sentito fino allo sfinimento in non si sa quante commedie romantiche, i protoni e gli elettroni tendono ad attrarsi gli uni gli altri. Se prendiamo questo fenomeno e lo pensiamo per miliardi di miliardi di atomi in ognuno degli oggetti che ci circondano, otteniamo la fatidica frase “la materia è neutra”. Fin qui tutto bene, se non fosse che il magnetismo è un gradino più complesso. Appurato che esistano cariche positive e negative, c’è un’altra conclusione importante. Se la gravità è solo attrattiva, lo stesso non vale per l’elettromagnetismo. Infatti se pensassimo di avvicinare due protoni o due elettroni, questi si respingerebbero fino a schizzare via dall’altra parte della città. Questo vuol dire che ci possono essere dei flussi di cariche che si muovono da un posto in cui non vogliono stare (repulsione) a un posto in cui preferiscono stare (attrazione). Da questi flussi, ossia da queste cariche in movimento, si originano i campi magnetici. Senza entrare nel merito dei diversi esami di fisica necessari per capire tutti i concetti, si può dire che esistono certe condizioni in cui i materiali generano campi magnetici in autonomia. Questo è quello che succede anche con il nostro pianeta, il cui centro è come un enorme magnete che genera un campo tutto intorno alla Terra. A differenza del campo elettrico però, nel campo magnetico non esiste il concetto di positivo e di negativo. Se vi è capitato di guardare qualche cartone animato datato, sapete che spesso i magneti sono rappresentanti con i colori blu e rosso e le lettere N e S. Il magnetismo in effetti è dipendente da due “poli”, quello Nord e quello Sud. Piccola curiosità: per un errore di convenzione, il polo Sud della Terra è in realtà un polo Nord magnetico, e viceversa. Tornando ai magneti, la cosa particolare è che, mentre quando si parla di cariche si riescono a individuare le “fonti” primarie di queste cariche, ossia protoni ed elettroni, con i poli non vale lo stesso. Questo significa che non esiste un magnete Sud e un magnete Nord, ma che tutti i magneti hanno sia polo Nord che polo Sud. Ed ecco spiegato perché quando cercavate disperatamente di avvicinare due magneti in un verso essi si respingevano, mentre ruotando uno dei due al contrario essi si attraevano,
L’ingegneria e i magneti
Come qualcuno avrà già forse intuito, esistono materiali “più magnetici” e materiali “meno magnetici”. Per farla breve, come ci sono materiali che conducono elettricità e calore più o meno di altri, ci sono materiali più adatti a costruire delle macchine che sfruttano magneti. Facciamo qualche esempio. La macchina sincrona è una macchina che trasforma potenza meccanica in potenza elettrica. Si tratta di una struttura in cui dei magneti permanenti, proprio come quelli con cui ci divertiamo a giocare, vengono messi in movimento e generano un campo rotante. Il loro campo magnetico ruota assieme a loro e crea potenza elettrica. Al di là dei principi fisici che ci stanno dietro, si potrebbe parlare per una giornata intera della grande utilità di queste macchine. La maggioranza dei generatori, ad esclusione di quelli presenti nelle pale eoliche, sono sincroni. Questo significa che le nostri centrali dipendono da macchine di questo genere. Oltre alle applicazioni convenzionali, i campi magnetici trovano applicazioni nelle avanguardie più audaci delle ricerca. I progetti ITER e SPARC, ad esempio, usano un campo magnetico per confinare processi di fusione nucleare. Se vogliamo applicazioni più convenzionali basta pensare ai freni dei treni. Questo particolare sistema frena le ruote metalliche dei treni grazie a dei magneti. Le ruote dei treni sono costruite con dei metalli conduttori, ragion per cui quando vengono immerse in un campo, quello che succede quando il freno è azionato e i magneti calati vicino le ruote, si creano delle correnti elettriche al loro interno. Queste correnti, dette parassite, generano un campo magnetico opposto a quello dei due magneti del freno e dissipano energia. In questo modo le ruote perdono energia e cominciano a rallentare più velocemente fino a fermarsi. Le correnti parassite sono di solito un effetto indesiderato, ma in questo caso l’ingegneria è riuscita a sfruttare il meglio da un fenomeno svantaggioso. Insomma, dalla formazione dei pianeti fino ai circuiti, passando per i giocattoli, il magnetismo ci stupisce ogni giorno di più. Così come ci stupiscono ricercatori e ingegneri di tutto il mondo che sfruttano la potenza di questa interazione quasi magica. E cosa sarebbe la magia senza coloro che riescono a imbrigliarla e usarla per un mondo migliore?
