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Jun 12, 2023

Perché i magneti hanno i poli nord e sud?

Spinning electrons may help explain why magnets have north and south poles.

Gli elettroni rotanti possono aiutare a spiegare perché i magneti hanno poli nord e sud.

Tagliare a metà una barra magnetica non eliminerà i suoi poli. Produrrà semplicemente due magneti, ciascuno con un polo nord che sarà attratto dal polo sud dell'altro magnete e viceversa.

È questa fondamentale proprietà di attrazione che rende i magneti utili per tanti scopi, dal tenere un invito a una festa al frigorifero all'esecuzione di imaging medico.

Ma come nascono questi poli? Perché i magneti hanno i poli nord e sud?

I magneti sono "uno dei misteri più profondi della fisica", ha affermato Greg Boebinger, direttore del National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, in Florida. Sebbene le persone utilizzino i magneti da migliaia di anni, gli scienziati stanno ancora imparando cose nuove su come funzionano.

La risposta più elementare al motivo per cui i magneti hanno poli risiede nel comportamento degli elettroni. Tutta la materia, compresi i magneti, è fatta di atomi. In ogni atomo il nucleo è circondato da uno o più elettroni carichi negativamente. Ciascuno di questi elettroni genera il proprio minuscolo campo magnetico, che gli scienziati chiamano “spin”. Se un numero sufficiente di questi piccoli campi magnetici puntano nella stessa direzione, il materiale stesso diventa magnetico.

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La "spin" di un elettrone è una sorta di concetto astratto, ha detto Boebinger a WordsSideKick.com. Tecnicamente, nessuno ha visto un elettrone girare: è troppo piccolo per essere visto al microscopio. Ma i fisici sanno che gli elettroni hanno un campo magnetico perché lo hanno misurato. E un modo in cui quel campo potrebbe essere generato è se l'elettrone ruotasse. Invertendo la direzione della rotazione, il campo magnetico si invertirebbe.

Quando possibile, gli elettroni si accoppieranno in modo che i loro spin si annullino, rendendo pari a zero il magnetismo netto di un atomo. Ma in alcuni elementi, come il ferro, ciò non può accadere. Il numero di elettroni e il modo in cui sono posizionati attorno al nucleo fanno sì che ogni atomo di ferro avrà un elettrone spaiato che genera un piccolo campo magnetico.

In un materiale non magnetizzato, questi singoli campi magnetici puntano in diverse direzioni casuali. In quello stato, si annullano a vicenda, quindi il materiale nel complesso non è magnetico. Ma nelle giuste condizioni, i minuscoli campi magnetici subatomici possono allinearsi per puntare nella stessa direzione. Si potrebbe pensare a questo come alla differenza tra una folla di persone che si aggira e tutte che si organizzano e guardano nella stessa direzione. La combinazione di questi campi magnetici molto piccoli crea un campo magnetico più grande, quindi il materiale diventa un magnete.

Molti dei magneti utilizzati nella vita di tutti i giorni, come i magneti da frigorifero, sono conosciuti come magneti permanenti. In questi materiali, i campi magnetici di molti atomi nel materiale sono stati permanentemente allineati da una forza esterna, ad esempio essendo stati inseriti all'interno di un campo magnetico più potente.

Spesso, quel campo magnetico più potente è creato dall’elettricità. Elettricità e magnetismo sono fondamentalmente legati, perché i campi magnetici sono generati dal movimento delle cariche elettriche. Ecco perché un elettrone in rotazione ha un campo magnetico. Ma gli scienziati possono anche sfruttare l’elettricità per creare magneti molto potenti, ha affermato Paolo Ferracin, scienziato senior del Lawrence Berkeley National Laboratory in California. Il passaggio di una quantità sufficiente di corrente attraverso una bobina di filo genera un campo magnetico molto forte che dura finché scorre la corrente. Questi elettromagneti sono spesso utilizzati nella ricerca fisica, ha detto Ferracin a WordsSideKick.com. Sono utilizzati anche in strumenti medici come le macchine per la risonanza magnetica (MRI).

Anche la Terra ha il suo campo magnetico: è ciò che fa funzionare l'ago di una bussola. Gli scienziati hanno definito il polo nord di un magnete come l'estremità che punterebbe verso il polo nord della Terra se il magnete potesse ruotare liberamente. Ma tecnicamente, ha spiegato Boebinger, questo significa che il polo magnetico settentrionale sulla Terra è in realtà un polo sud magnetico, poiché i poli opposti si attraggono.