La storia dei magneti - Uno sguardo alla storia del magnetismo

La lunga storia dei magneti e la scoperta del magnetismo iniziarono con la prima scoperta delle magnetiti. È impossibile nominare un vero inventore dei magneti, poiché materiali naturali come le magnetiti con proprietà magnetiche esistono, ma furono scoperti piuttosto che inventati. Il nome "magnete" deriva probabilmente da antichi siti nella regione greca della Magnesia. La scoperta dei magneti è spesso attribuita al signor Talete di Mileto. Secondo la leggenda, il filosofo greco osservò le prime magnetiti quando furono scoperte nel 600 a.C. Era sempre impegnato nella sua ricerca, studiando le forze di attrazione tra magneti e ambra resinosa.
Il minerale nero composto da ferro e ossigeno è chiamato idrossido di ferro e si forma naturalmente attraverso il vulcanismo. Oggi, sono stati documentati oltre 9.600 siti.

La scoperta delle calamite ha cambiato il mondo intero. Grazie alla ricerca moderna e a ulteriori indagini sul magnetismo in fisica, i magneti sono ora utilizzati in un'ampia varietà di campi. Vengono utilizzati, ad esempio, nei seguenti ambiti:

• dischi rigidi
• motori elettrici
• monitor per computer
• televisori
• microfoni
• altoparlanti

Tuttavia, le pietre magnetiche hanno trovato applicazione anche nei giocattoli, ad esempio nei mattoncini da costruzione fatti di magneti, e persino nei gioielli.

Dove sono stati utilizzati i primi magneti?

La magnetite naturale non è una pietra vera e propria, ma piuttosto un ossido di ferro magnetizzato. Fonti cinesi menzionano per la prima volta questo fenomeno attrattivo nel III secolo a.C. La magnetite era spesso chiamata "pietra dell'amore". Gli abitanti della Cina le diedero questo nome speciale perché attrae il ferro, come una madre amorevole attrae i suoi figli.

Uno degli usi più antichi del magnetismo nella storia è la bussola.
Nel 200 a.C., i cinesi usavano una bussola con un cucchiaio di magnetite rivolto a sud. Questo indicava tutte e quattro le direzioni. A quel tempo, la bussola originale era probabilmente utilizzata più in relazione al feng shui per la divinazione. Era principalmente destinata a determinare l'orientamento di vari edifici.

La bussola nella forma che conosciamo oggi fu menzionata per la prima volta nel I secolo d.C., quando un ago galleggiante veniva utilizzato per determinare i punti cardinali. Si scoprì infine che i magneti potevano essere usati anche per magnetizzare altri oggetti. Anche un ago di ferro tenuto vicino a una magnetite acquisisce proprietà magnetiche.
L'ago magnetico può quindi essere posizionato sul sughero. Non appena il sughero viene posizionato sulla superficie dell'acqua ferma, l'ago ruota sempre in due direzioni specifiche: un lato dell'ago punta verso il Polo Sud, l'altro verso il Polo Nord.

Pierre de Maricourt è considerato il fondatore dello studio del magnetismo in fisica. Fu il primo a studiare sistematicamente il magnetismo e ne registrò le scoperte l'8 agosto 1269. Fece le seguenti osservazioni:

• i poli magnetici si respingono
• rompendoli si creano altri due magneti

Ricerca e applicazione nei tempi moderni

Nel 1600, la ricerca scientifica portò ulteriori approfondimenti con l'opera di William Gilbert. Nella sua opera "De Magnete", descrive la Terra come un grande magnete. Scoprì l'analogia tra il campo magnetico terrestre e i diversi tipi di magneti. Grazie a questo principio, fu infine in grado di spiegare dettagliatamente la bussola. Sebbene l'uso della bussola fosse già diffuso, il fisico scozzese James Clerk Maxwell fu il primo a stabilire la connessione tra magnetismo ed elettricità nel 1864. Le equazioni di Maxwell da lui sviluppate sono note ancora oggi. Costituiscono il fondamento dell'elettricità e del magnetismo. Dal XIX secolo, sono state considerate tra le più importanti conquiste della fisica e della matematica.
Ulteriori misurazioni, come quelle di Henry Gellibrand, rivelarono che il campo magnetico terrestre non è statico, ma cambia lentamente nel tempo.
All'inizio del XIX secolo venne fondata a Gottinga la Magnetic Society e Carl Friedrich Gauss riuscì a dimostrare che la maggior parte del campo magnetico terrestre ha origine dall'interno della Terra.

Distinguere tra diversi magneti

Esistono diversi tipi di magneti, ognuno con le proprie proprietà. I più comuni sono:

• magnete in ferrite
• magnete al neodimio
• magnete in AlNiCo
• magnete in samario-cobalto
• elettromagneti

Magneti in ferrite

La maggior parte delle persone ha probabilmente già avuto tra le mani un magnete in ferrite, come magneti frigo 3D.
I magneti in ferrite sono riconoscibili dal loro colore scuro, nero o antracite. I magneti in ferrite dura sono tra i materiali magnetici più utilizzati oggi. Le materie prime sono il biossido di ferro e il carbonato di stronzio. La ferrite dura può essere utilizzata per realizzare magneti isotropi e anisotropi. I magneti in ferrite anisotropa hanno una densità energetica significativamente superiore rispetto ai magneti isotropi.
Si tratta di una percentuale superiore di oltre il 300%. A seconda della materia prima, possono essere suddivisi in ferrite di bario e ferrite di stronzio coercitiva.
Le proprietà più importanti dei magneti permanenti in ferrite includono l'eccellente resistenza alla corrosione e le elevate capacità funzionali tra -40 °C e +250 °C.
Sono anche altamente resistenti agli agenti chimici. Inoltre, sono atossici e rispettosi dell'ambiente, per quanto riguarda lo smaltimento in discarica. I magneti in ferrite possono essere classificati in modo diverso:

Oggi, i magneti permanenti sono utilizzati nell'ingegneria elettrica, nell'industria automobilistica e dei veicoli, così come in medicina, nell'industria mineraria e nella metallurgia. Costituiscono inoltre il nucleo di numerose calamite per bacheche e blocchi magnetici utilizzati in ufficio o per hobby.

Magneti al neodimio

Il neodimio, o "Nd" in breve, è uno degli elementi delle terre rare e fu estratto per la prima volta da Carl Auer von Welsbach verso la fine del XVIII secolo. Ciononostante, il neodimio possiede una proprietà cruciale e importante.
La scoperta del neodimio risale a Carl Friedrich Auer von Welsbach, Carl Gustav Mosander, Per Teodor Cleve e Lecoq de Boisbaudran. Il neodimio metallico puro, tuttavia, non fu prodotto fino al 1925.
In una lega con boro e ferro, il neodimio forma il composto NdFeB – questo materiale può essere utilizzato per produrre i magneti permanenti più potenti oggi. Il magnete al neodimio possiede un'energia significativamente maggiore del magnete in acciaio AlNiCo e viene quindi utilizzato principalmente quando sono necessari magneti permanenti potenti nel minor spazio possibile.

Esempi degni di nota includono:

• generatori
• motori
• satelliti

I magneti al neodimio classici sono contrassegnati da una "N" seguita da un numero specifico, che indica la loro forza magnetica. In genere, i valori variano tra N35 e N50.
Uno svantaggio dei magneti NdFeB è la loro estrema suscettibilità alla corrosione.

Magneti AlNiCo

I magneti AlNiCo sono essenzialmente magneti permanenti. Il magnete in acciaio è stato sviluppato nel 1931. Durante il processo di produzione, i pezzi di metallo ferromagnetico vengono magnetizzati da un forte campo magnetico, trasformandoli in magneti permanenti. La loro forza magnetica dura quindi per decenni.

I magneti in AlNiCo sono realizzati in alluminio, cobalto e nichel. A seconda della composizione del materiale, contengono anche ferro, rame e titanio. Diversi processi di produzione possono produrre magneti sia isotropi che anisotropi con diversi valori magnetici. Questi magneti permanenti possono essere lavorati solo con utensili diamantati.
I magneti permanenti sono particolarmente resistenti ai solventi, resistendo solo a concentrazioni di acido inferiori al 10%. Acidi inorganici come l'acido citrico o l'acqua di mare danneggiano i magneti in AlNiCo. Possiedono inoltre un'elevata rimanenza e un'eccellente resistenza alla corrosione. Inoltre, non sono influenzati da oli, solventi organici, alcol e benzina. I magneti in AlNiCo possono essere smaltiti in modo ecologico, se necessario.

Magneti al samario-cobalto

Il samario-cobalto, abbreviato "SmCo", è stato sviluppato verso la fine degli anni '60. Si tratta di una lega composta dal metallo delle terre rare samario e dal metallo cobalto. Le abbreviazioni sono "Sm" e "Co".
Il samario-cobalto può essere prodotto in due strutture di lega: SMCo5 senza contenuto di ferro e Sm2Co17 con un contenuto di ferro di circa il 20-25%.
Negli anni '70, il samario-cobalto era uno dei materiali con la più alta densità energetica conosciuta. Questa condizione è rimasta invariata fino alla scoperta del materiale neodimio-ferro-boro. La polvere metallica di samario-cobalto viene sinterizzata in condizioni di trattamento termico appropriate. Ciò consente di ottenere la massima densità e l'orientamento magnetico.

Grazie alla loro composizione, i magneti possiedono un campo magnetico estremamente intenso. Inoltre, sono particolarmente resistenti alla smagnetizzazione. La loro elevata resistenza alla corrosione consente di riscaldarli fino a temperature di 300 gradi Celsius.

Elettromagneti

Gli elettromagneti differiscono fondamentalmente dai magneti permanenti perché il loro campo magnetico non dipende dal materiale magnetico, ma è generato dal flusso di corrente.
La scoperta dell'elettromagnetismo nel XIX secolo da parte di Hans Christian Oersted pose le basi per lo sviluppo degli elettromagneti.

Il funzionamento degli elettromagneti si basa sulla connessione fondamentale tra elettricità e magnetismo, nota come elettromagnetismo. Quando una corrente elettrica scorre attraverso una bobina di filo (avvolgimento), si crea un campo magnetico attorno alla bobina. L'intensità di questo campo dipende dalla corrente, dal numero di spire e dai materiali utilizzati. Per potenziare l'effetto del campo magnetico, spesso nella bobina viene inserito un nucleo di materiale ferromagnetico come il ferro. La chiave di tutto ciò sono i cosiddetti poli, che possono essere invertiti a seconda della direzione della corrente, controllandone così il funzionamento. Gli elettromagneti sono oggi utilizzati in numerose tecnologie, dal controllo di precisione nelle macchine industriali ai dispositivi di uso quotidiano come altoparlanti o serrature. Ci consentono di utilizzare la potenza del magnetismo in modo mirato e flessibile.

Il principale vantaggio degli elettromagneti rispetto ai tradizionali magneti permanenti è che il loro campo magnetico rimane attivo solo finché scorre corrente. Questo permette loro di essere accesi e spenti a piacimento, rendendoli ideali per applicazioni come motori elettrici, relè o magneti di sollevamento industriali.