Polo Nord e Polo Sud magnetici

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Cosa si intende per Polo Nord e Polo Sud magnetici?

Il polo nord e polo sud sono i due poli di un magnete permanente. Il campo magnetico parte dal polo nord e si dirige verso il polo sud, come mostrano le linee di campo. Le linee di campo si richiudono poi all'interno del magnete. I poli simili si respingono (cioè polo nord contro polo nord o polo sud contro polo sud), mentre i poli opposti si attraggono. La forza magnetica su un materiale ferromagnetico (ad esempio il ferro) è attrattiva sia al polo nord che al polo sud.

Indice

Ogni magnete ha due poli. Questa è una proprietà fondamentale che distingue i campi magnetici da quelli elettrici.

Un campo magnetico si crea quando scorre una corrente. In altre parole, ogni volta che le cariche elettriche si muovono. In questo caso, però, c'è sempre un campo con due poli, un polo nord e un polo sud. Per questo motivo si parla anche di campo dipolare. Assomiglia al campo elettrico di due cariche opposte, il dipolo elettrico.

In un magnete permanente, cioè in un materiale magnetizzato, sono presenti anche spin di elettroni elementari con un momento magnetico, che possono essere intesi come magneti elementari. Il campo magnetico macroscopico del magnete permanente è la somma dei contributi di tutti i magneti elementari. Gli spin degli elettroni hanno lo stesso effetto delle correnti circolari atomiche e ciascuno di essi ha un polo nord e un polo sud magnetici.

Mentre una carica elettrica, ad esempio un elettrone con carica negativa, provoca un campo elettrico, non esiste una singola “carica magnetica”. Non è possibile creare un singolo polo magnetico.

Si dice che il campo elettrico ha delle sorgenti (cioè la carica elettrica) e che il campo magnetico, invece, è privo di sorgenti. Si presenta come un campo di dipolo (con poli nord e sud) quando le cariche elettriche si muovono. Non esiste una vera prova che il campo magnetico sia privo di sorgenti, ma finora nessuno ha osservato una "carica magnetica".

Tuttavia, le equazioni di Maxwell possono essere utilizzate per dimostrare matematicamente che non esistono poli magnetici individuali. Tuttavia, le equazioni di Maxwell devono essere accettate, poiché la loro validità non può essere dimostrata.

Ogni magnete ha un polo nord (N) e un polo sud (S). Se si spezza un magnete permanente, si ottengono due magneti più piccoli, ciascuno dei quali ha un polo nord e un polo sud. Ciò può essere compreso alla luce del fatto che un campo magnetico è creato dagli spin degli elettroni allineati nel materiale. Come piccole correnti circolari nel materiale, queste hanno un momento magnetico e causano un polo nord e un polo sud in ogni punto, le cui forze si sovrappongono per formare il campo magnetico macroscopico.

Attrazione e repulsione dei poli magnetici

Se il polo nord di una barra magnetica viene avvicinato al polo nord di un altro magnete, entrambi i magneti si respingono. Se invece il polo sud di un magnete a barra viene avvicinato al polo nord di un altro magnete, la forza tra i magneti ha un effetto attrattivo.

Per verificare questa affermazione, basta tenere in mano un magnete a un'estremità e ci si accorgerà che l'estremità libera è sempre attratta da un lato di un altro magnete, ma respinta dall'altro lato di questo magnete.

Tra poli simili di magneti diversi (cioè tra polo nord e polo nord o tra polo sud e polo sud) ci sono sempre forze di repulsione. Al contrario, le forze attrattive agiscono tra poli diversi di magneti diversi (ad esempio, tra il polo nord e il polo sud).

Il campo magnetico dà un'idea della forza esercitata da un magnete. In fisica, la forza di un campo magnetico è solitamente indicata dalla densità di flusso magnetico B e viene misurata nell'unità di misura Tesla o Gauß.

Linee di campo dei magneti

Le linee di campo possono essere utilizzate per visualizzare un campo magnetico. Le linee di campo dei campi magnetici corrono sempre in anelli chiusi. Le linee di campo dei campi magnetici non hanno quindi né inizio né fine. Il motivo per cui le linee di campo formano anelli chiusi è proprio perché il campo magnetico è privo di sorgenti, cioè ha sempre un polo nord e un polo sud.

Se si parte dal polo nord di un magnete, le linee di campo si allontanano verticalmente dalla superficie del polo nord del magnete e curvano verso il polo sud fino ad arrivare verticalmente alla superficie del polo sud magnetico. Nel materiale magnetico stesso, invece, le linee di campo tornano al punto di partenza al polo nord, formando così un anello chiuso.

L'effetto di forza del magnete su un campione magnetico, ad esempio l'ago di una bussola, è proporzionale alla densità delle linee di campo. L'ago della bussola è orientato tangenzialmente alle linee di campo.

Sperimentalmente, si può avere un'idea dell'esistenza del campo magnetico intorno al magnete spargendo della limatura di ferro su un foglio di carta con un magnete sotto. La limatura di ferro si dispone in strutture curve, che possono essere intese come un'immagine delle linee di campo.

I poli nord e sud di un magnete sono fissi per definizione. Le linee di campo vanno dal polo nord al polo sud per definizione. Ciò significa che non esiste un principio fisico che determini quale polo di un magnete sia il polo nord e quale il polo sud.

Grafico - Le linee di campo di un magnete corrono dal polo nord al polo sud

Differenza tra polo nord magnetico e geografico

Figura 1: globo con i poli geografici e magnetici della Terra. Mentre il polo nord geografico è definito dal punto in cui passa l'asse terrestre (rosso) in direzione della stella polare, il polo sud magnetico della Terra, verso cui sono allineati gli aghi delle bussole (punto verde), si trova nelle sue vicinanze. Il polo nord magnetico (punto rosso) si trova in prossimità del punto di intersezione meridionale dell'asse di rotazione

La Terra ha anche un campo magnetico come scudo protettivo invisibile contro le radiazioni cosmiche e il vento solare. Questo è causato da correnti sotterranee nell'interno liquido della Terra. Tuttavia, il Polo Nord della Terra è definito come il punto in cui l'asse immaginario di rotazione della Terra attraversa la superficie terrestre in direzione della Stella Polare. Questo punto è quindi anche indicato più precisamente come "Polo Nord geografico". Sebbene uno dei poli magnetici della Terra si trovi vicino al Polo Nord geografico, si tratta proprio del Polo Sud magnetico del globo. Il polo nord dell'ago della bussola punta verso nord perché è lì che si trova il polo sud magnetico della Terra, che è vicino al polo nord geografico (Figura 1).

Per sapere come costruire una bussola da soli, si può consultare il sito La bussola più semplice del mondo.

Il campo magnetico terrestre

Illustrazione del campo magnetico terrestre

Figura 2: il campo magnetico terrestre, che dirige il vento solare intorno alla Terra o lo cattura parzialmente ai poli. (Fonte: Herbert Bolz, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons)

Creato dal movimento del ferro liquido nel nucleo esterno della Terra, il campo magnetico si estende fino allo spazio, proteggendo la vita sul nostro pianeta dalle particelle ad alta energia del vento solare (Figura 2). I poli del campo magnetico - da non confondere con i poli geografici - sono in costante movimento. Questo movimento dei poli è causato da cambiamenti nella circolazione del materiale nucleare liquido. È inoltre degno di nota il fatto che il campo magnetico terrestre occasionalmente si inverte, un fenomeno in cui il polo nord magnetico diventa il polo sud e viceversa. Queste inversioni dei poli, che si verificano nell'arco di migliaia di anni, fanno parte di un ciclo naturale, le cui cause esatte sono ancora oggetto di ricerca. La comprensione del campo magnetico terrestre non è importante solo per la scienza, ma svolge anche un ruolo cruciale nella navigazione e in molte applicazioni tecnologiche.

Come nasce l'aurora boreale?

L'aurora boreale è causata dalle interazioni tra le particelle cariche del vento solare e la magnetosfera terrestre. Queste particelle sono guidate dal campo magnetico terrestre verso i poli, dove entrano in collisione con gli atomi e le molecole di gas nell'atmosfera superiore, eccitandoli e facendoli brillare. Il campo magnetico terrestre agisce come un sistema di guida, guidando le particelle lungo le linee del campo magnetico verso le regioni polari, il che consente la formazione delle aurore luminose in queste aree. Questo porta a fenomeni luminosi affascinanti, in movimento e spesso verdastri, che possono essere osservati con tempo sereno, soprattutto alle latitudini settentrionali.

Come si orientano gli uccelli migratori rispetto al campo magnetico terrestre?

Gli uccelli migratori utilizzano il campo magnetico terrestre come aiuto alla navigazione, utilizzando cellule sensoriali specializzate per percepire i campi magnetici e ottenere così un orientamento direzionale. Queste cellule sensoriali, spesso situate nella zona degli occhi o del becco, permettono agli uccelli di "vedere" o percepire le linee del campo magnetico, aiutandoli a orientarsi durante le lunghe migrazioni tra le zone di riproduzione e di svernamento. Questo senso magnetico integra altri metodi di navigazione, come l'orientamento in base alle stelle, al sole e ai punti di riferimento geografici, ed è un esempio affascinante dell'adattabilità della fauna selvatica ai fenomeni naturali.

Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt

Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

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