La storia die magneti

La storia dei magneti inizia con le prime scoperte di pietre con proprietà magnetiche chiamate anche calamite - a partire dal 1845 questo tipo di pietra è stato chiamato magnetite. Si tratta di un minerale più nero del ferro combinato con ossigeno o idrossido di ferro, che si sviluppa in modo naturale da attività vulcanica e ha proprietà magnetiche.  Ci sono circa 9600 siti che presentano questi minerali.

Il filosofo greco Talete di Mileto aveva già notato gli effetti speciali delle pietre magnetiche nel VI secolo a.C. Ha scritto infatti allacciandosi alla teoria di Aristotele che queste pietre hanno un'anima perché possono muoversi e attirare il ferro. Tale forza invisibile corrispondeva per gli antichi greci una caratteristica della psiche.

L'origine del nome

Il nome deriva da "Lithos Magnes" in greco antico che a sua volta deriva da Plinio. Questo viene spiegato nella sua opera "Naturalis Historia" (77 d.C.), dalla leggenda del pastore Magnes sul monte ida, il suo bastone di ferro e i chiodi nelle sue scarpe furono attratti dalle pietre di magnetite.

Ma questa parola deriva più probabilmente dalla campagna Magnesia (Magnisia) in Tessaglia, una nota località delle pietre magnetiche. Che è stata dichiarata da Lucrezio nel suo "De Rerum Natura", poema didascalico, che è stato rilasciato da Cicerone dopo la Sua morte.

Altre fonti dicono che il nome è stato dato dalla città di Magnesia in Asia Minore una regione dell’attuale Turchia. Lì si trovava una colonia della tribù macedone dei “Magneti”.

La prima bussola puntava verso sud

Le caratteristiche speciali della magnetite non erano solo conosciute dagli antichi greci, le proprietà dei magneti sono stati analizzati in Cina nei tempi precristiani. Nel periodo degli Stati Combattenti, Hanfucio sviluppò la prima bussola, il "Si Nan", che letteralmente significa l’indicatore del sud.

Consisteva in una calamita a forma di cucchiaio posto come un ago della bussola su una superficie di bronzo o rame quadrata piana su cui si trovavano simboli e linee incisi nel metallo. Il campo magnetico del cucchiaio è orientato in modo che esso indichi il sud dopo ogni rotazione. Il sud è la direzione preferita del “Bagua” taoista. Era la direzione del cielo, mentre il nord era considerato portatore di sventure.

Bussola a “secco” e bussola con fluidi

In Europa la prima descrizione dell'uso delle bussole per la navigazione è stata fatta da Alexander Neckam. Nella sua opera "De Utensilibus et De Rerum Naturis" (entrambi scritti intorno al 1190 d.C.) ha descritto che gli aghi sono stati montati in modo basculante e ruotavano in acqua fino a che non indicavano il nord. L'uso di questi aghi ha dato la possibilità di navigare anche in una situazione di buio completo.

Al contrario, Pierre de Maricourt ha menzionato per la prima volta una bussola a secco nella sua "Epistola de Magnete" scritto nell’anno 1269. Presentava un’ oscillazione libera degli aghi magnetici che ruotano su un perno, senza l’utilizzo di fluidi. Secondo la leggenda, l'italiano Flavio Gioia di Amalfi è stato il primo che ha inventato questo tipo di bussola. Dall'inizio del XIV secolo, questa bussola ha iniziato ad apparire in combinazione con la rosa dei venti sulle navi occidentali.

I due poli di magneti

Maricourt aveva sistematicamente lavorato con magneti concentrandosi sulle loro polarità. Nel suo lavoro del 1269, enuncia la sua teoria dopo la sua scoperta: gli stessi poli magnetici si respingono, mentre poli diversi si attraggono.

Ha scritto, inoltre, che rompendo una calamita si ottengono due piccoli magneti. La spiegazione di questo fenomeno è stata teorizzata e scoperta solo più tardi negli anni. Ciò è dovuto all'orientamento naturale astiforme  dei magneti elementari contenuti nei materiali ferromagnetici.

La magnetizzazione di materiali ferromagnetici

Per questo motivo i materiali ferromagnetici possono essere magnetizzati. Questo processo è stato scoperto abbastanza presto. La scoperta è stata fatta grazie ad un esperimento, ovvero spazzolando alcuni oggetti con un magnete. In questo modo, gli oggetti come un chiodo o un fil di erano allineati in modo parallelo a questo magnete.

Tale magnetizzazione può essere creato di nuovo da shock come da alte temperature o da campi magnetici polarizzati in modo opposto.

La Terra è un magnete

Per molto tempo nessuno riusciva a trovare una spiegazione al fenomeno per cui gli aghi magnetici si orientano verso nord o verso sud. All'inizio si pensava che i magneti fossero attratti dalla stella polare.

Solo William Gilbert espone la teoria per rispondere a questa domanda nella sua opera maggiore “De magneti, Magnetisque Corporis et de Magno magneti Tellure” (sui magneti, corpi magnetici e il grande magnete Terra), risalente al 1600, giungendo alla conclusione che l'intero globo deve essere considerata come una calamita gigante con due poli.

I suoi esperimenti sono stati eseguiti con un magnete sferico, il "Terrela", e seguendo l'inclinazione degli aghi magnetici e la loro inclinazione diversa a causa dei due poli a seconda della latitudine, scoperta poi da Georg Hartmann.

Magnetismo ed elettricità

Gilbert aveva già impiegato magnetismo con l'elettricità, ma solo James Clerk Maxwell è stato il primo che ha esposto sotto forma di un sistema di equazioni differenziali. Nei primi anni del XIX secolo nasceva l’idea del funzionamento di magnetismo ed elettricità.  Il fisico danese Hans Christian Ørsted ha dimostrato l'effetto elettromagnetico nel 1820.

Nel 1826 fu l'inglese William Sturgeon anche conosciuto come il primo ad inventare un elettromagnete. Consisteva di una bobina che genera un campo magnetico quando la corrente la attraversa. Nella bobina, c'era un nucleo di ferro, il campo magnetico cresce dentro questo nucleo di ferro e conduce le linee di campo magnetico, al centro della bobina la densità di flusso magnetico è più alta. Al di fuori del nucleo la forza magnetica diminuisce con la distanza, quindi gli elettromagneti hanno un grande effetto su piccole distanze.

Con le sue "Equazioni di Maxwell" pubblicato nel 1864 alla Royal Society di Londra, James Clark Maxwell spiega il comportamento dei campi elettrici e magnetici e la loro interazione con la materia. Inoltre, Maxwell ha scritto di onde di campi elettrici e magnetici oscillanti che si muovono attraverso lo spazio vuoto.

Acciaio magnetico

Oltre alla ricerca comune sul magnetismo, allo stesso tempo vennero fatti grandi passi avanti nella produzione di magneti con innovazioni importanti. L'innovazione più importante fu nell'anno 1931, il cosiddetto acciaio magnetico fu stato sviluppato per la prima volta. È costituito da una lega di ferro, alluminio, nichel, rame e cobalto sintetizzato con la seguente formula AlNiCo. Il metallurgo giapponese Mishima scoprì questa lega mentre stava lavorando con le leghe di ferro-nichel aggiungendo alluminio. Questo ha dato alla lega le proprietà di un magnete permanente.

Questi magneti AlNiCo sono duri e fragili, ma anche resistenti alla corrosione e alla maggior parte degli acidi. Oggi, essi stanno diventando sempre meno importanti, perché sono sensibili ai campi di smagnetizzazione e hanno una bassa stabilità magnetica.

Magneti al neodimio

Un'altra nuova possibilità per la produzione di magneti è dovuta alla scoperta di metalli o terre rare, che ha avuto inizio nel tardo XIX secolo. È anche possibile trovarli con la sigla "terre rare" o "magneti in terre rare".

Tra le terre rare che possiamo trovare il neodimio, il quale fu isolato per la prima voltanel 1885 da Carl Auer von Welsbach da un altro metallo il didimio. Questo metallo argenteo fa parte del gruppo dei lantanidi e si trova in natura, contenuto soprattutto nei minerali in Cina. Lega aventi ferro, neodimio e boro costituiscono la connessione NdFeB. I magneti permanenti con la forza più grande sono fatti di questo materiale. 

I magneti NdFeB possono assimilare venti volte più energia magnetica del magnete in AlNiCo. Viene quindi utilizzato ovunque sono necessari forti campi magnetici permanenti ma con un piccolo volume a disposizione.  Vengono  utilizzati ad esempio nei motori, generatori, altoparlanti e dischi rigidi.

I magneti NdFeB disponibili in commercio sono hanno un valore indicato con una sigla composta dalla lettera N e un numero che indica la loro forza magnetica. I valori normali sono compresi tra N35 a N50. Lo svantaggio dei magneti in neodimio risiede nella sua suscettibilità alla corrosione e alla temperatura.

Magneti samario-cobalto

Il metallo delle terre rare samario ha anche un grande potere magnetico se mescolato con il cobalto. SmCo o magneti samario-cobalto, sono stati sviluppati alla fine degli anni Sessanta del XX secolo ed erano fino alla scoperta dei magneti in neodimio la lega con la più alta densità di energia magnetica.

Al giorno d’oggi i magneti samario-cobalto sono utilizzati principalmente in settori in quali è necessaria una maggiore resistenza alla temperatura e la sua resistenza alla corrosione. Un altro punto a favore di questi magneti è la loro resistenza ad altri campi magnetici. 

Esistono due diversi tipi di leghe di SmCo, che possono essere utilizzate a temperature fino a 250 o anche fino a 350 gradi Celsius ma a causa del complesso processo di produzione e per la scarsità degli elementi, questi magneti risultano essere molto costosi.

L'importanza economica di questi magneti è inferiore a quelli al neodimio. Il samario-cobalto è utilizzato soprattutto nelle macchine elettriche rotanti con eccitazione permanente.