martedì 21 giugno 2016

Come funziona la Bussola

La scoperta che un ago magnetizzato lasciato libero di ruotare in un piano orizzontale si dispone sempre lungo la direzione nord-sud risale a moltissimo tempo fa. Tuttavia, solo nell'ultimo secolo il funzionamento della Bussola ha trovato una spiegazione soddisfacente. Come è facile immaginare, i tentativi di dare una risposta a questo meccanismo sono andati di pari passo con la nostra conoscenza dei campi magnetici. Ecco perché lo studio di una semplice Bussola permette di scoprire qualcosa di molto più profondo di quanto ci si aspetta da questo strumento.


 Prima di incominciare, una breve nota per i lettori più affezionati: recentemente ho cominciato a scrivere articoli anche per un altro sito. Capirete però che stipare due blog nella vita di uno studente universitario piuttosto indaffarato non sia cosa facile (tipicamente impiego circa tre o quattro giorni per scrivere un articolo), per cui sono costretto a ridurre la frequenza con cui pubblico i post qui su Scoprire la Fisica. In futuro quindi pubblicherò, con un po' di rammarico, a martedì alterni.

Le prime spiegazioni del funzionamento della Bussola

 Le prime calamite naturali furono scoperte più di 2500 anni fa nella città greca Magnesia, da cui presero il nome di magnetiti. Tuttavia, ci vollero più di mille anni perché qualcuno si accorgesse che un ago magnetizzato tendeva a puntare sempre nella stessa direzione.

 Le prime bussole magnetiche fecero la loro comparsa agli inizi del 1200. Ma nonostante la rapida diffusione iniziale, nessuno era in grado di spiegarne il funzionamento. Non mancarono comunque gli studiosi che cercarono di comprendere questo fenomeno così bizzarro. Uno di questi fu Pierre de Maricourt, noto anche come Petrus Peregrinus, un pensatore francese. A Maricourt si fa risalire il primo studio dettagliato della bussola, in cui venivano definiti per la prima volta il polo nord e il polo sud per definire le due estremità dell'ago magnetizzato che puntavano verso i rispettivi Poli geografici.

 Ad ogni modo, le prime spiegazioni del funzionamento della bussola lasciavano un po' a desiderare. Non mancava chi, preso dallo sconforto per non essere riuscito ad individuare un comportamento analogo in natura, proclamava che le calamite fossero dotate di una coscienza, e che spontaneamente puntassero sempre verso i Poli. Una spiegazione più ragionevole, ma comunque ben lontana dalla realtà, era postulare l'esistenza di un'enorme montagna di magnetite posizionata proprio al Polo Nord. Il campo magnetico generato da quest'ultima sarebbe stato così intenso da orientare gli aghi delle bussole di tutto il mondo. Tuttavia, nessuno riuscì ad avvicinarsi a capire il funzionamento della bussola per altri quattrocento anni.

Una bussola di inclinazione
 Il primo successo in questo ambito fu raggiunto nell'anno 1600 dal medico personale della regina Elisabetta I, William Gilbert. Questi pubblicò un'opera davvero rivoluzionaria, il De Magnete, che inqudrava il problema dell'orientamento magnetico in un'ottica completamente nuova. Gilbert costruì una bussola di inclinazione, ovvero un dispositivo dotato di un ago magnetizzato lasciato libero di ruotare in un piano perpendicolare al suolo. Lo studioso osservò immediatamente che una forza attraeva il polo nord dell'ago verso il suolo. Anche forzando l'ago in modo che il polo sud puntasse verso il basso, questo tornava immediatamente nella sua posizione originaria. Gilbert si procurò quindi una sfera di magnetite, e osservò che nelle vicinanze del suo emisfero settentrionale la bussola di inclinazione si comportava esattamente allo stesso modo. Questo poteva significare solo una cosa: la Terra stessa era un enorme magnete.

 Sembrava che il problema fosse risolto: gli scienziati postularono l'esistenza di un enorme nucleo di ferro magnetizzato all'interno del pianeta, che orientava gli aghi magnetizzati tutti nello stesso verso. Per trecento anni questo ragionamento - che in effetti non faceva una piega - rimase la spiegazione al funzionamento della bussola. Di conseguenza gli scienziati trovarono difficile accettare che il problema era tutt'altro che risolto quando, nel 1895, il fisico francese Pierre Curie dimostrò che un tale nucleo di ferro magnetizzato non poteva esistere.

Le scoperte di Oersted, Ampere e Faraday

 Pierre Curie mostrò che ogni materiale perde le sue proprietà magnetiche, ammesso che ne abbia, se portato a temperature abbastanza elevate. Tuttavia, per quanto fosse stato effettivamente dimostrato che la Terra possiede un nucleo di ferro, si era altresì scoperto che la temperatura di tale "nocciolo" è di gran lunga superiore a quella necessaria a far perdere al ferro ogni briciolo di magnetismo. In breve, serviva un'altra spiegazione.

 Un primo indizio di una risposta più definitiva apparve circa due secoli fa per mano del fisico inglese Michael Faraday. Questi aveva ripreso gli studi del suo collega danese Hans Christiaan Oersted, vissuto qualche generazione prima di lui. Oersted aveva scoperto che un filo metallico percorso da corrente elettrica faceva deviare gli aghi delle bussole poste nelle vicinanze esattamente come avveniva ponendole vicino a delle calamite.

Un solenoide
 Un altro fenomeno che metteva in relazione elettricità e magnetismo era stato evidenziato qualche anno prima dal fisico francese André Marie Ampere. Quest'ultimo aveva scoperto che due fili paralleli percorsi da corrente si attraggono se l'elettricità scorre nello stesso verso per entrambi e si respingono se scorre in versi opposti, un po' come avveniva coi poli delle calamite. Inoltre, e questa fu una scoperta ancora più stupefacente, Ampere mostrò che un solenoide *(un solenoide è un componente elettronico costituito da un filo conduttore arrotolato come una molla) percorso da corrente si comportava esattamente come una calamita.

 Queste scoperte portarono Faraday a formulare un'ipotesi ormai scolpita nella storia della fisica:
Michael Faraday
"Se è possibile produrre un campo magnetico con l'elettricità perché non dovrebbe essere possibile produrre elettricità partendo da un campo magnetico?"
 Era il 1831, e Faraday si era appena procurato due anelli metallici (che sarebbero serviti da solenoidi). Uno dei due venne attaccato a una batteria per far sì che al suo interno scorresse corrente elettrica, mentre il secondo fu posto davanti al primo anello. Se l'intuizione di Faraday era corretta, l'anello percorso da corrente avrebbe generato un campo magnetico, che a sua volta avrebbe indotto una corrente nel secondo anello. Faraday accese la batteria e... ...non accadde nulla. O meglio, quasi nulla.

 Appena dopo aver acceso la batteria, Faraday aveva effettivamente rivelato della corrente elettrica nel secondo anello, ma questa si spense subito. Analogamente però, la stessa corrente comparve e scomparve altrettanto rapidamente quando lo scienziato spense la batteria. A quel punto Faraday ebbe tutto più chiaro: erano le variazioni del campo magnetico, e non il campo magnetico in sé, a generare corrente elettrica.

 L'esperimento di Faraday fece fare un balzo in avanti all'umanità, e tra le altre cose permise di costruire una nuova teoria per spiegare il funzionamento della bussola. Ad ogni modo, bisogna osservare che la scoperta di Faraday venne ben prima di quella di Curie (che mostrò l'insostenibilità dell'ipotesi di un nucleo di ferro magnetizzato), per cui tale spiegazione alternativa venne presa seriamente in considerazione solo settant'anni più tardi.

Cosa fa funzionare la bussola

 Le scoperte di Oersted, Ampere e Faraday fecero sospettare che il campo magnetico terrestre fosse generato proprio da delle correnti elettriche interne al nucleo terrestre. In effetti abbiamo a disposizione alcuni dati osservativi che ci permettono di farci un'idea del percorso che queste correnti dovrebbero seguire.

 Innanzitutto, Poli Magnetici e Poli Geografici non coincidono. Anzi, il Polo Nord magnetico è molto più vicino al Canada che non al Polo Nord geografico. I due poli formano un angolo di circa 15 gradi rispetto al centro della Terra. Queste osservazioni permettevano di postulare l'esistenza di una corrente elettrica che scorreva nel nucleo terrestre da ovest verso est in un piano quasi coincidente con quello equatoriale.

Schema della Teoria Geodinamo
 Una spiegazione più precisa del meccanismo che fa funzionare la bussola è stata fornita dal fisico tedesco Walter Maurice Elsasser, studioso poliedrico che ha dato un contributo in diverse branche della fisica. Secondo quest'ultimo, il moto rotatorio della Terra porterebbe alla formazione di vortici nel suo nucleo liquido. Questi mulinelli sarebbero sospinti dal flusso da ovest verso est, e avrebbero l'effetto di generare una corrente elettrica con lo stesso verso. Questa spiegazione va sotto il nome di Teoria Geodinamo.

 La corrente elettrinca intrinseca del nucleo terrestre scorrerebbe dunque lungo un anello, in modo che l'intero pianeta non si comporti in maniera molto dissimile da un enorme solenoide. In altre parole, la corrente elettrica prevista da Elsesser spiega il campo magnetico terrestre e, in ultima analisi, il funzionamento della bussola.

Conclusioni

 Le bussole sono apparse circa mille anni fa, ma per lungo tempo nessuno è riuscito a fornire una spiegazione accettabile del loro funzionamento. Trascurando alcune ipotesi fantasiose, il primo tentativo degno di nota di giustificare il comportamento della bussola si deve a William Gilbert, che mostrò che la Terra non è altro che un immenso magnete. Spiegazioni alternative seguirono alle scoperte di Oersted, Ampere e Faraday - importantissime per tutta la fisica - ma non furono prese in considerazione se non quando Curie mostrò che la Terra non poteva avere un nucleo di ferro magnetizzato, come si credeva in precedenza. L'ipotesi suggerita da Faraday venne approfondita da Elsasser, che elaborò la Teoria Geodinamo, attualmente in uso.
Si potrebbe parlare ancora molto a lungo del campo magnetico terrestre, che presenta irregolarità davvero bizzarre e non completamente spiegate. Inoltre, la presenza di questo campo permette di studiare più a fondo alcuni fenomeni affascinanti, come le Aurore Boreali. È evidente però che non è possibile trattare tutti questi argomenti in un unico articolo, ma ho in mente di approfondirli in un altro post.
Spero che l'articolo ti sia piaciuto,

Giulio


Immagini tratte da:
http://giovanignaziani.altervista.org/bussola-2/
http://www.phys.uniroma1.it/DipWeb/museo/bussolaincl.html
http://www.oilproject.org/lezione/campo-magnetico-solenoide-formula-vettore-modulo-linee-elettromagnetismo-integrali-8242.html
http://www.dima.unige.it/~denegri/PLS2/PENSIERO_SCIENTIFICO%20DEF/QUATTRO_INTERAZIONI/Pages/EsperimentoFaraday.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamo_theory

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