sabato 11 maggio 2013

Campi magnetici ovunque

Molto spesso si sente parlare di campo magnetico di qualcosa. Ottimo! Vuol dire che si sta dicendo qualcosa che riguarda la fisica. Il punto però è capire innanzitutto cos'è un campo magnetico e magari in secondo luogo capire (o perlomeno provarci) quanto sono intensi i campi magnetici che ci circondano.
Partiamo dal principio.
Supponiamo di avere una particella. Tra le diverse quantità che caratterizzano una particella ce n'è una chiamata carica. Questa quantità può essere positiva o negativa ma anche nulla (in quel caso si dice che la particella è neutra). Supponiamo dunque che la nostra particella abbia una carica diversa da zero.
In questo caso possiamo dire che la nostra particella genera un campo elettrico; in parole poverissime vuol dire che due particelle cariche interagiscono tra loro a seconda dell'intensità di questo campo. L'effetto finale è che particelle con cariche dello stesso segno si respingono mentre particelle con cariche di segno opposto si attraggono. E va bene, sono sicuro che lo sapevate già. Era solo un ripasso.
Finora però non abbiamo considerato un particolare molto importante: ma la nostra particella è ferma o si muove? Ora attenzione: noi siamo gli osservatori. Immaginiamo di vedere, dal nostro punto di vista,  la nostra particella muoversi con una certa velocità costante; dunque noi possiamo sempre pensare di (perdonatemi, passatemi la prossima espressione!) metterci a cavallo della particella. In questo caso, viaggiando insieme alla particella, in pratica, da questo punto di vista, vediamo la particella ferma.
Se tutto ciò vi sembra una cosa banale, allora sentite qua.
Quello che accade è che una particella carica (sottolineo, carica!) genera un campo magnetico quando si muove. Dunque ora torniamo a ciò che dicevamo prima: quando vediamo la particella carica sfrecciare dovremmo misurare sia un campo elettrico (che c'è perché la particella è carica) sia un campo magnetico (perché la carica si muove). Ma se ci mettiamo a cavallo? La particella appare ferma: non misuriamo più alcun campo magnetico! O caspita.
Questo ci mostra che il campo elettrico e il campo magnetico sono intimamente collegati tra loro e per questo si parla di campo elettromagnetico. Questa storia del sistema di riferimento è perfettamente integrata all'interno della teoria della Relatività.
La cosa, comunque, è leggermente più complicata di così. Il campo elettromagnetico è descritto da un insieme di equazioni (che non scriverò!) chiamate equazioni di Maxwell (James Clerk Maxwell per essere precisi). Queste equazioni ci dicono come funziona il campo elettromagnetico. In particolare, sono quattro e ci dicono:
1) Il campo elettrico è generato dalle cariche elettriche che possono essere positive o negative;
2) Un campo magnetico che varia nel tempo genera un campo elettrico;
3) Un campo elettrico che varia nel tempo e/o una corrente elettrica (cioè cariche in moto) generano un campo magnetico;
4) Non esistono cariche magnetiche isolate.
L'ultima affermazione è molto curiosa. Infatti se prendete due calamite sapete tutti che vi è il polo nord è il polo sud magnetico. Quindi se avvicinate due poli nord le calamite si respingono mentre se avvicinate due poli differenti (nord-sud) le due calamite si avvicineranno.
Ma provate a spezzare una calamita. Pensate di dividere il polo nord dal polo sud? Invece no! Avrete due calamite ognuna con la coppia polo nord e polo sud. Come mai? Perché non esistono cariche magnetiche isolate, come dice il buon vecchio Maxwell.

James Clerk Maxwell (13 Giugno 1831 - 5 Novembre 1879)

Sì, va bene. Ma questi campi magnetici sono ovunque. Calamite per frigorifero, galassie, campo magnetico terrestre, la risonanza magnetica, etc etc. Sarebbe ora di capire quanto è forte un campo magnetico in ognuno di questi casi. Dunque vediamo: l'unità di misura del campo magnetico è il Gauss (se usate il sistema di misura c.g.s) o il Tesla (se usate il sistema internazionale). Da buon studente di astrofisica vi presenterò un po' di numeri in Gauss; ma non ha importanza perché quello che bisogna capire è il rapporto che c'è tra le intensità dei campi magnetici in vari contesti.
Per i pignoli, comunque, un Tesla sono 10 mila Gauss.
Partiamo dal basso. Il nostro cervello è un insieme di cariche che sfrecciano per farci essere intelligenti. Il campo magnetico generato è qualcosa come un centimilionesimo di Gauss.
La nostra galassia ha un campo magnetico. Quanto è intenso? Cento volte più di quello del nostro cervello, quindi un milionesimo di Gauss.
Ma veniamo al pianeta Terra. Anche se non è perfettamente chiara l'origine di tale campo magnetico (ma vi sono comunque alcune teorie) in questo caso abbiamo una misura di 0.1 Gauss.
Le meravigliose (per alcuni) calamite da frigo danno una misura di 100 Gauss, mentre le famigerate e celeberrime macchie solari forniscono 1000 Gauss.
Un gradino più sopra troviamo l'apparecchio della risonanza magnetica con diecimila Gauss.
E, per finire, esageriamo.
Una stella di neutroni può arrivare ad avere un campo magnetico pazzesco. Parliamo di un numero come mille miliardi di Gauss! L'avevo detto che avremmo esagerato.
Ecco, questa piccola lista era solo per darvi un'idea di cosa vuol dire trovare un intenso campo magnetico. Come vedete dipende dal contesto e contrariamente a quello che magari si può pensare non vale la regola del "più grande quindi più forte".
Le particelle che generano campi elettromagnetici comunicano, appunto, tramite onde elettromagnetiche o, se volete, fotoni. Come abbiamo visto già, le onde possono avere diverse frequenze. Dico questo per dirvi che quando si parla di inquinamento elettromagnetico non bisogna soltanto considerare l'intensità del campo ma anche la frequenza delle onde elettromagnetiche (qualche altra informazione la trovate qui).
Insomma i campi elettromagnetici sono ovunque.
Se vedete una particella carica in movimento non sta facendo jogging: sta generando un campo magnetico.