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Il magnetismo è una proprietà fondamentale della natura. I momenti angolari degli elettroni conferiscono caratteristiche magnetiche a tutti i materiali. Il magnetismo si estende come un campo che va ben oltre il livello atomico, tuttavia ne rimane connesso elettricamente. Qualsiasi corrente, carica in movimento o variazione del potenziale elettrico genera anche un campo magnetico.
Per gli antichi, il magnetismo era una forza conosciuta ma misteriosa. Gli antichi greci a volte trovavano rare e meravigliose rocce nero-brunastre che avevano il potere di attrarre oggetti di ferro. Conosciute anche come calamite o magneti naturali , questi erano pezzi di ossido di ferro (magnetite) che erano stati probabilmente colpiti da un fulmine. Pietre simili furono scoperte in Asia e nel XII secolo, i cinesi le usarono per creare bussole per la navigazione. Oggi anche i bambini piccoli hanno familiarità con l’attrazione e la repulsione dei magneti permanenti portatili.
Oggi comprendiamo che i campi magnetici statici associati a calamite e magneti permanenti derivano principalmente dal momento angolare totale degli elettroni all’interno di quei materiali. Gli elettroni solitari possiedono spin , una proprietà fondamentale quantizzata della natura indicata dalla lettera S. Oltre a S , gli elettroni in orbita attorno a un nucleo possiedono anche un momento angolare orbitale (L) . Insieme S + L = J , o momento angolare totale , è la proprietà principale responsabile del magnetismo di massa. Anche i nuclei e altre particelle subatomiche possiedono un momento angolare di spin, ma questo effetto è troppo debole per influire sulle proprietà magnetiche grossolane di un materiale.
La relazione tra elettricità e magnetismo non fu apprezzata fino al 1819 quando il fisico danese Hans Christian Oersted notò accidentalmente la deflessione di una bussola su un tavolo vicino mentre eseguiva esperimenti con correnti elettriche nel suo laboratorio. Nel 1826 André-Marie Ampère dimostrò formalmente il rapporto tra corrente e intensità del risultante campo magnetico ( B ), la cui direzione è trovata dalla regola della mano destra .
Non solo le correnti elettriche producono campi magnetici, ma il cambiamento dei campi magnetici induce correnti elettriche . Nel 1831 Michael Faraday dimostrò il principio dell’induzione magnetica misurando la tensione ( V ) prodotta in una bobina da un magnete mobile.
Tre anni dopo Heinrich Lenz mostrò che la corrente indotta era così diretta da contrastare il cambiamento del flusso magnetico.
La risultante legge di Faraday-Lenz può essere scritta
V ∝ - ( dB / dt )
dove dB / dt rappresenta la variazione di frequenza del campo magnetico. Il segno negativo riflette il principio di Lenz secondo cui la corrente indotta crea un “contro campo” in una direzione opposta a B.
Nell’ultima metà del diciannovesimo secolo un certo numero di fisici europei elaborò ulteriori dettagli sui fenomeni elettromagnetici. I loro nomi sono leggendari: Carl Friedrich Gauss , Hendrik Antoon Lorentz , Joseph Henry , Heinrich Hertz , tra gli altri. James Clerk Maxwell ha dato forse il contributo più importante unificando magnetismo, elettricità e luce sotto una comune teoria elettromagnetica basata sulle onde.
Nel 20 ° secolo Albert Einstein rifuse con successo le equazioni di Maxwell in un quadro relativistico.
Paul Dirac, Enrico Fermi, Richard Feynman e altri hanno successivamente integrato il magnetismo nella meccanica quantistica creando il nuovo campo dell’elettrodinamica quantistica (QED) .
Nel 21 ° secolo i confini della teoria si stanno espandendo per spiegare il comportamento magnetico sia a livelli molto grandi (dimensioni della galassia) che molto piccoli (sub-subatomici). Tuttavia, non esiste ancora un singolo modello che spieghi tutti i fenomeni elettromagnetici.