Misurare un campo magnetico stazionario

In questo articolo vedremo come misurare un campo magnetico stazionario, cioè non variabile nel tempo, quale può essere, ad esempio, quello prodotto dal campo magnetico terrestre, da magneti permanenti (ad es. al neodimio), da metalli magnetizzati (ad es. per strofinìo) o da elettromagneti alimentati in corrente continua (DC). Questi campi magnetici, inoltre possono svilupparsi in molti oggetti in acciaio o ferro, se sono stati esposti a campi magnetici, corrente o attrito. Scopriremo che vi sono parecchi modi e strumenti con cui lo scienziato dilettante può effettuare facilmente tali misurazioni.

Il Tesla è l’unità di misura adottata dal Sistema Internazionale (SI) per misurare l’induzione magnetica (densità di flusso magnetico). Esiste anche un’altra unità comunemente usata nella misura dell’induzione magnetica, il Gauss. Poichè il Tesla è un unità molto grande, per la misura dei campi magnetici stazionari (o di quelli elettromagnetici a bassa frequenza) nella pratica si fa riferimento ad un sottomultiplo del Tesla, il microTesla (abbreviato µT), pari ad un milionesimo di Tesla.

Ora, 1 microTesla (µT) equivale a 10 milliGauss (mG). Inoltre, 1 Tesla è equivalente a 10.000 Gauss ed a 10.000 linee di campo magnetico per centimetro quadrato. Pertanto, poiché il campo magnetico terrestre ha un’intensità di 0,00005 Tesla, se si posiziona la punta del dito indice sulla punta del pollice, racchiudendo circa 1 pollice quadrato, facendo un po’ di calcoli si scoprirebbe che solo quattro linee di campo magnetico passerebbero attraverso quel foro a causa del campo magnetico terrestre.

Ecco una lista di quanto forti possano essere alcuni campi magnetici:

Dispositivi a effetto Hall e gaussmetri

Per misurare la forza dei magneti, si può usare un cosiddetto “dispositivo a effetto Hall”. Un dispositivo ad effetto Hall è un pezzo di materiale che è influenzato da un campo magnetico. Facendo passare una quantità costante di corrente attraverso di esso in una direzione, e ponendolo in un campo magnetico diretto in un’altra direzione, possiamo misurare una tensione attraverso di esso nella terza direzione. Questa tensione è proporzionale alla forza del campo magnetico.

Infatti, quando c’è una corrente elettrica, c’è una carica elettrica che si muove ad una velocità media attraverso un materiale. In molti materiali, queste cariche in movimento sono elettroni. Una carica elettrica in movimento, quando si trova in un campo magnetico, sperimenta una forza. Questa forza dipende dal campo magnetico, dalla carica e dalla velocità. La direzione di questa forza è perpendicolare sia al campo magnetico che al vettore di velocità della carica elettrica.

Cosa fa questa forza magnetica agli elettroni in movimento nella corrente? Chiaramente, non si muoverà in linea retta lungo la direzione della corrente. Invece, l’elettrone si curverà a sinistra. Se tutti questi elettroni nella corrente si piegheranno a sinistra, alla fine ci saranno delle cariche negative in eccesso sul lato sinistro del materiale, in un dispositivo a effetto Hall. Poiché il materiale ha una carica neutra complessiva, devono anche esserci cariche positive sulla superficie opposta.

Un sensore a effetto Hall (a sinistra) e suo funzionamento (a destra).

Alla fine, il materiale sarà simile a questo appena mostrato in figura. Questa carica elettrica superficiale crea un campo elettrico. Le cariche delle superfici laterali continueranno a crescere finché non ci sarà una forza elettrica laterale che annulla la forza magnetica e gli elettroni si spostano nuovamente nella direzione del filo. Questo campo elettrico dovuto alle cariche laterali significa anche che c’è un cambiamento (che possiamo misurare) nel potenziale elettrico attraverso il materiale.

La variazione del potenziale elettrico attraverso il materiale – in direzione trasversale ad esso, poiché c’è anche un campo elettrico che causa la corrente – può essere misurata con un voltmetro. E questo ti fornisce il campo magnetico. Naturalmente, per calcolare il campo magnetico hai ancora bisogno della velocità di deriva elettronica, ma quest’ultima puoi ottenerla se conosci la dimensione del materiale e la velocità degli elettroni, ovvero il tipo di materiale e il valore della corrente elettrica.

Questo dispositivo a effetto Hall può essere calibrato per fornire un certo cambiamento in mV per ogni Gauss del campo magnetico, ottenendo così uno strumento portatile per la misura dei campi magnetici DC: il gaussmetro a effetto Hall. Questo effetto fu scoperto da Edwin Hall nel 1917. Oggi, i materiali usati spesso in questi dispositivi sono l’arsenuro di indio o l’arsenuro di gallio. Esistono anche dispositivi superconduttori che possono misurare campi magnetici piccoli, chiamati SQUIDS.

Un gaussmetro che puoi avere in tasca

Esiste un’app per iPhone (iOS), chiamata xSensor, che permette di misurare le componenti x, y e z del campo magnetico. Ma come funziona? La risposta è semplice: questo smartphone ha un sensore ad effetto Hall, anzi in realtà ne ha tre, uno per ciascuna componente. Più in generale, i moderni smartphone hanno sensori magnetici interni in grado di rilevare campi magnetici.

Due immagini dell’app xSensor, per la misura di campi magnetici con l’iPhone.

L’output di questi sensori può essere utile per trovare il nord, identificare la direzione del campo magnetico terrestre, identificare i poli dei magneti e verificare la conformità alle normative sulle spedizioni aeree. Nella maggior parte degli smartphone viene precaricata un’applicazione “bussola” che fa esattamente questo: misura la direzione del campo magnetico terrestre per capire da che parte è il nord, anche se la parte delle persone non usano questa bussola per capire da che parte andare.

In realtà, però, le persone usano indirettamente le informazioni magnetiche. Quando si utilizza un iPhone per avere delle indicazioni stradali, lo smartphone prende in considerazione non solo i dati del sensore GPS, ma anche quelli forniti dal magnetometro e degli accelerometri. In questo modo può sapere (e può dirti) in quale direzione è puntato e dove stai dirigendoti. Il campo magnetico rilevato dalla bussola interna non punta solo al polo nord, ma (a meno che tu non sia all’equatore) anche verso il basso.

Vi sono varie applicazioni che funzionano bene per rilevare il campo magnetico tridimensionale della terra: Magnetometer, MagnetMeter, Mini Magnet, xSensor, Tesla Bot, etc. Inoltre, queste applicazioni possono anche aiutare a identificare i poli di un magnete. Tuttavia, non avvicinare troppo il magnete al telefono, o potresti compromettere la calibrazione della bussola in modo permanente. Puoi usare le stesse app per misurare ad es. il campo magnetico vicino a un magnete al neodimio.

Alcuni esempi di app per la misura di campi magnetici per Android.

Il sensore di uno smartphone, però, non è in grado di misurare campi magnetici molto forti. Inoltre, devi stare attento a non avvicinarli troppo ad esso, o potrebbe magnetizzare parti al suo interno e/o rovinare la calibrazione della bussola. Tuttavia, puoi usare uno smartphone per misurare deboli campi magnetici e stabilire se una spedizione soddisfa o meno i requisiti di spedizione aerea, in modo da evitare la necessità di spedire un pacco come contenente un bene pericoloso.

Se è possibile misurare un campo magnetico di 2 milligauss o più (0,002 gauss o 0,2 microTesla) ad una distanza di 7 piedi dal pacco, la IATA (International Air Transport Association) dice che deve essere etichettato come un bene pericoloso. Sfortunatamente, non possiamo misurare questo debole campo magnetico con un iPhone: tale misurazione è oltre la risoluzione di cui è capace il sensore. Ma non per questo dobbiamo arrenderci: basta ricorrere a un piccolo trucco.

Infatti, se mettiamo lo smartphone a una distanza più ravvicinata, potremmo essere in grado di dedurre la forza del campo più lontano. Considerando come la forza del campo degrada vicino a un magnete a disco, si può calcolare che un magnete che ha un campo magnetico di 2 milligauss (0,2 μT) a 7 piedi ddi distanza dovrebbe avere una forza di 20 milligauss (2 μT) a circa 39 pollici di distanza. Questo livello di campo magnetico i sensori dell’iPhone lo possono rilevare.

Strumenti per applicazioni specifiche

Gaussmetri USB

Sono gaussmetri a effetto Hall dal costo contenuto, dal design compatto, e dall’ottimo data logging, effettuato tramite la porta USB di un computer, che fornisce anche l’alimentazione. Dunque, si tratta di misuratori senza fronzoli (non hanno un display), ideali per applicazioni di laboratorio e/o low-cost. La punta del sensore per misurare il campo magnetico può essere adattata all’inserimento in una varietà di situazioni. Con una risoluzione che può essere dell’ordine di 1 Gauss, possono misurare piccole variazioni da magnete a magnete o, ad esempio, rilevare se un dato magnete ha perso forza.

Un economico gaussmetro USB a effetto Hall in vendita su Amazon.

Magnetometri tascabili

I campi magnetici stazionari possono svilupparsi in molti oggetti in acciaio o ferro, se sono stati esposti a campi magnetici, corrente o attrito. Un magnetometro è un dispositivo portatile che rileva l’entità di questo magnetismo residuo in modo rapido e preciso. È sufficiente posizionare lo strumento vicino o contro l’oggetto da testare e l’ago indicatore mostrerà una lettura che rappresenta il magnetismo nell’oggetto in quel punto e la polarità. Verificherà anche la completezza della smagnetizzazione. Puoi usarlo per controllare la tua auto, il telaio del letto, o qualsiasi altro oggetto di metallo.

Milligaussmetri AC/DC

Si tratta di misuratori utili e di solito dal prezzo ragionevole per misurare sia i campi magnetici variabili in corrente alternata (AC) che quelli in corrente continua (DC). I più economici sono dotati di una sonda assiale monoasse esterna, ma esistono versioni che fanno anche misurazioni a 3 assi. Si possono trovare milligaussmetri AC/DC digitali in grado di effettuare misurazioni in un’ampia gamma di frequenze (ad es. da 40 Hz a 10 KHz), con un’elevata sensibilità (ad es. 0,1 mG), che effettuano le letture in milligauss (mG) o in microtesla (μT), con un’accuratezza elevata, un intervallo di misura ampio.

Un esempio di milligaussmetro AC/DC in vendita su Amazon e uso di una sonda monoassiale.

Geomagnetometri

Sono strumenti piuttosto costosi che permettono di misurare il campo magnetico terrestre con grande precisione, come pure di rilevare i magneti da una certa distanza, nonché ad es. rotture di cavi d’acciaio magnetizzati, e di verificare se si rispettano i regolamenti di spedizione aerea. Sono simili nell’aspetto ai gaussometro DC, ma migliaia di volte più sensibili. È di solito inclusa una sonda assiale (a effetto Hall) che fornisce una risposta quasi piatta (tipicamente da DC a 10+ Hz), e possono avere un’uscita per interfacciare l’unità con un PC, un oscilloscopio, un analizzatore o un registratore.

Alcune possibili misurazioni alternative

Se non hai modo di poter costruire un gaussmetro o un magnetometro per misurare la forza della densità del flusso magnetico di un magnete, o di poter acquistare uno di questi strumenti, o non vuoi rischiare di rovinare il tuo smartphone, allora potresti stimare il campo magnetico di un magnete permanente almeno in maniera relativa usando uno dei seguenti semplici metodi alternativi:

1. Conta quanti fermagli o graffette puoi attaccare dal polo nord al polo sud del magnete.
2. Conta quanti fermagli o graffette è possibile attaccare a uno dei poli del magnete.
3. Poni un grande mucchio di fermagli o graffette sul tavolo e conta quanti si attaccheranno al magnete, su tutta la sua superficie, una volta che l’avrai avvicinato al mucchietto.
4. Poni una gran quantità piccoli cuscinetti a sfera in acciaio (da 1 a 4 mm di diametro) in un contenitore di plastica, e conta quanti si attaccheranno al magnete dopo aver posizionato quest’ultimo nel mezzo del contenitore cercando di coprirlo completamente con le palline. Rimuovi il magnete tutto e portalo in un altro contenitore di plastica per contare il numero di palline rimastegli attaccate.

Un semplice metodo per stimare la forza di un (elettro)magnete.

Inoltre, potresti avere bisogno di “vedere” effettivamente i campi magnetici DC prodotti da magneti permanenti o metalli magnetizzati. Il modo più semplice è quello di usare della limatura di ferro all’interno di un sacchetto di plastica trasparente. È possibile utilizzare questo sistema più volte per visualizzare le linee di forza, nonché la posizione dei poli, di qualsiasi magnete. Un grande rilevatore magnetico economico ottimo per diversi progetti scientifici amatoriali.

Una versione più sofisticata, acquistabile online, prevede l’uso di particelle di limatura sospese all’interno di un gel. Una sospensione magneticamente sensibile viene inserita in un sacchetto di plastica trasparente con materiale gelatinoso, che viene poi sigillato. Le particelle mantengono la loro libertà di movimento all’interno delle membrane gelatinose. Quando il sacchetto è inserito in un campo magnetico in corrente continua, le particelle si allineano con le linee di flusso della sorgente magnetica.

Di conseguenza, viene prodotta un’immagine o impressione bidimensionale esatta del campo magnetico. Questa immagine è facilmente cancellabile in modo completo una volta che il sacchetto è stato rimosso da vicino la sorgente magnetica lasciando le particelle ri-disperdersi nel gel, o la si può cancellare strisciando sul sacchetto un magnete a barra comune. A causa delle ridotte dimensioni delle particelle usate, il sistema può rilevare campi a partire da pochi gauss e produrre comunque un’immagine chiara.

Un visualizzatore di campi magnetici autocostruito.