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Venti esempi di magnetismo al lavoro
- Magneti del frigorifero-. opere d’arte & messaggi
- Magneti da frigorifero- per sigillare e chiudere le porte
- Dispositivi di tenuta per officine meccaniche
- Sollevamento di rottami e acciaierie
- Separazione di materiali
- Creazione di isotopi per radiazioni
- Ricerca di fisica pura
- Motori – automotive, tosaerba, miscelatore da cucina
- Incontinenza- sostituzione della valvola della vescica
- Denture
- Levitazione dei treni
- Navigazione tramite la bussola
- Targhette di sicurezza per negozi e biblioteche
- Shark Navigazione
- Radiografia per l’analisi dell’umidità & del contenuto di grasso
- Radiografia per immagini del corpo e degli organi
- Trasformatori della linea di trasmissione
- Teste di registrazione- VCR, audio &video cassette, hard & floppy disk drive
- Media di registrazione – VCR, audio & video cassette, hard & floppy disk drive, dischi magneto-ottici
- Carte di credito & bancomat
Il magnetismo esiste in due forme, esiste negli oggetti e nell’aria. Quando il magnetismo si osserva negli oggetti è rappresentato da un gruppo di cose chiamate ‘dipoli’, e ci si riferisce ad esso con la lettera “m”. Quando il magnetismo si osserva nell’aria, si chiama semplicemente ‘campo applicato’, e ci si riferisce ad esso con la lettera “h”.
Un dipolo è una piccola unità di magnetizzazione che consiste in una forza e una direzione. Il dipolo 1 (vedi figura 1) ha una forza specifica (designata dall’area del cerchio), e una direzione simile all’una. Il dipolo 2 (vedi figura 2) ha una forza doppia rispetto al dipolo 1, e la sua direzione è simile alle nove. Un oggetto magnetico mostra una magnetizzazione totale (m) che dipende dalla combinazione di tutti i dipoli all’interno dell’oggetto.
Figura 1- Dipolo 1
Figura 2 -Dipolo 2
Un campo applicato esiste generalmente a causa di uno dei due motivi seguenti. Motivo n. 1 – la magnetizzazione complessiva di un oggetto si forma in modo tale da inviare parte della sua forza nell’aria circostante. Motivo n. 2 – l’elettricità che passa attraverso un filo genera un campo applicato. È importante notare che entrambe queste forme di campo applicato possono coesistere; sia in modo cooperativo che non cooperativo. Come per il dipolo, un campo applicato ha una forza e una direzione. Il campo applicato 1 (vedi figura 3) ha una forza designata dalla lunghezza della sua freccia, e una direzione simile alle ore tre. Il campo applicato 2 (vedi figura 4) ha una forza designata per essere la metà di quella del campo applicato 1 e una direzione simile alle ore sei.
Figura 3 – Campo applicato 1
Figura 4- Campo applicato 2
Ogni gruppo di dipoli raffigurato nella Figura 5a e Figura 5b rappresenta alcuni scenari o situazioni magnetiche diverse. Se si considera che ognuna di queste situazioni può esistere in qualsiasi oggetto magnetico, allora certe combinazioni di gruppi di dipoli possono essere usate per definire i due tipi fondamentali di oggetti magnetici; un oggetto duro e un oggetto morbido.
Figura 5a- Gruppo di dipoli che rappresenta un oggetto duro
Un oggetto duro è un oggetto che potrebbe essere meglio descritto come avente un comportamento associato ad una sequenza di eventi corrispondenti prima ad ‘A’ poi a ‘B’ e poi a ‘C’. A’ descrive un gruppo di dipoli in un oggetto in cui non è presente alcun campo applicato; ogni dipolo è orientato in una posizione unica. ‘B’ descrive un gruppo di dipoli in un oggetto, dove è presente un campo applicato; ogni dipolo è allineato con il campo applicato simile alle ore tre. ‘C’ descrive un gruppo di dipoli in un oggetto, dove il campo applicato di ‘B’ è stato appena rimosso; si noti che alcuni dei dipoli non sono tornati alle loro posizioni originali in ‘A’, ma hanno assunto una nuova posizione unica.
Figura 5b- Gruppo di dipoli che rappresentano un oggetto morbido
Un oggetto morbido sarebbe meglio descritto se il suo comportamento fosse associato a una sequenza di eventi corrispondenti prima ad ‘A’ e poi a ‘B’ e infine a ‘D’. A’ descrive un gruppo di dipoli in un oggetto, dove non è presente alcun campo applicato; ogni dipolo è orientato in una posizione unica. B’ descrive un gruppo di dipoli in un oggetto, dove è presente un campo applicato; ogni dipolo è allineato con il campo applicato simile alle ore tre. ‘D’ descrive un gruppo di dipoli in un oggetto, dove il campo applicato di ‘B’ è stato appena rimosso; si noti che tutti i dipoli sono tornati alle loro posizioni originali in ‘A’.
Il campo applicato ha cambiato la natura di entrambi gli oggetti duro e morbido. L’oggetto duro ha mantenuto alcune delle nuove caratteristiche create dal campo applicato, mentre l’oggetto morbido non ha mantenuto nessuna delle nuove caratteristiche create dal campo applicato. Questi comportamenti definiscono la differenza essenziale tra oggetti duri e morbidi, e stabilisce anche chiaramente quale oggetto dovrebbe essere usato per realizzare gli esempi di magnetismo al lavoro.
Le leggi della fisica richiedono che tutta la materia esista nel suo stato di energia più basso possibile. Questo significa che quando le condizioni ambientali cambiano, la materia si adatta per rimanere allo stato di energia più basso possibile. Un oggetto magnetico può sperimentare migliaia di situazioni ambientali in cui un cambiamento nel campo applicato implica una nuova situazione ambientale.
Ci sono due tipi principali di oggetti duri. Il primo tipo di oggetti duri è chiamato magneti permanenti e il secondo tipo è chiamato supporti di registrazione. Entrambi i tipi di oggetti duri condividono la capacità di immagazzinare (o trattenere) l’energia, anche se ognuno immagazzina questa energia in modo diverso.
I magneti permanenti sono oggetti costruiti con un gruppo speciale di minerali combinati. Questi minerali, una volta uniti, generalmente non mostrano il magnetismo fino a quando il magnete non viene caricato con il processo descritto sopra. L’intero oggetto esibisce lo stesso carattere in cooperazione e l’oggetto è usato un dispositivo di energia immagazzinata.
I supporti di registrazione sono oggetti costruiti con un gruppo diverso di minerali combinati in modo speciale. Anche se diversi, questi oggetti generalmente non mostrano alcun magnetismo fino a quando non sperimentano anche una sequenza di eventi simili al processo descritto sopra. La differenza qui è che il campo applicato utilizzato; fornisce una quantità concentrata di energia ad una porzione molto piccola e localizzata dell’oggetto. Questo rende possibile immagazzinare energia in diversi punti dell’oggetto. Infatti, è possibile immagazzinare energia in schemi progettati sull’oggetto; che corrisponde direttamente alle informazioni che un individuo sta cercando di archiviare sul supporto di registrazione.
Fondamentalmente, c’è solo un tipo di oggetto morbido. Anche per questi oggetti si usano minerali appositamente combinati; anche se, come detto prima, questi oggetti non trattengono alcuna energia. Tuttavia, sono molto utili, perché hanno la capacità di organizzare e talvolta amplificare l’energia di un campo applicato quando è presente.
L’energia comunemente associata al magnetismo è abbastanza utile per creare grandi quantità di forze sia attraenti che repulsive. I seguenti diagrammi sono utili per rappresentare le differenze tra i due tipi di forze, e le situazioni necessarie per i cambiamenti di direzione che ne derivano. La repulsione è designata dalla lettera ‘R’ (vedi figura 6) e l’attrazione dalla lettera ‘A’ (vedi figura 7). Le forze che risultano in entrambi i casi, sono un risultato diretto dei dipoli che cercano di ridurre le loro energie allo stato più basso possibile. Di solito questo richiede qualche tipo di movimento; sia attrazione che repulsione. Se uno dei dipoli di interazione è fissato in posizione, allora il dipolo che è libero da vincoli sarà l’unico a muoversi.
Figura 6- Repulsione tra dipoli
Figura 7- Attrazione tra dipoli
Ora gli esempi …
1. Magneti del frigorifero – opere d’arte & messaggi :
Un magnete del frigorifero è un oggetto duro, e più specificamente un magnete permanente. Quando questo magnete è tenuto in mano, si è adattato alla sua situazione attuale e si trova nel suo stato energetico più basso possibile. Se ora muovete questo magnete verso la porta del frigorifero (che è un oggetto morbido) avete dato al magnete una nuova condizione o situazione ambientale. Il magnete si adatterà per raggiungere il nuovo stato di energia più basso possibile. In particolare lo farà inviando una parte della sua energia allo sportello del frigorifero che la assorbirà. Questo processo di minimizzazione dell’energia illustra ciò che è stato descritto sopra come attrazione; il magnete di refrigerazione sarà attratto dalla porta del frigorifero. Si può approfittare di questa forza attrattiva e usare il magnete per tenere opere d’arte o messaggi alla porta; ci sarà comunque un limite al peso che il magnete può sostenere.
2. Magneti del frigorifero – per sigillare e chiudere le porte :
I produttori di frigoriferi usano la conoscenza descritta sopra non solo per chiudere la porta quando si avvicina ragionevolmente al telaio del frigorifero ma anche per tirare la porta, che ha una guarnizione magnetica permanente lungo il bordo interno, molto aderente al telaio del frigorifero. Questo realizza due cose; permette al proprietario la libertà di non sbattere la porta chiusa, e fornisce una tenuta termica estremamente efficace.
3. Dispositivi di tenuta per officine metalliche :
In un’officina meccanica è fondamentale che i pezzi di metallo siano tenuti saldamente in posizione. Se questo viene fatto, gli incidenti e gli errori sono meno frequenti e meno dannosi. Utilizzando la stessa conoscenza di cui sopra, è possibile produrre forze attrattive che sono abbastanza grandi da fare due cose. Uno, le forze attrattive sono sufficienti per trattenere un pezzo di metallo più pesante del magnete stesso, e due, le forze attrattive sono in grado di sopportare le forze aggiuntive create dalle varie operazioni della macchina. Un requisito di queste forze attrattive è che possono essere attivate e disattivate su richiesta. Questo richiede un’abile deviazione dell’energia del magnete dal metallo trattenuto.
4. Sollevamento di rottami e acciaierie :
In un deposito di rottami o acciaieria, è necessario sollevare e spostare grandi quantità di metallo. Poiché il metallo è in gran parte acciaio, è un oggetto morbido. Con le conoscenze menzionate prima, il magnetismo è usato per realizzare questo compito. Una gru molto grande che usa un elettromagnete o un insieme di oggetti magnetici duri all’estremità del suo cavo è in grado di raccogliere, riposizionare e rilasciare i pezzi di acciaio.
5. Separazione dei materiali :
Miniere di vario tipo usano il magnetismo per separare i materiali da raccogliere. Forze attrattive, simili a quelle descritte prima, sono poste vicino ad un trasportatore che trasporta i materiali estratti. Quando gli oggetti magnetici morbidi si spostano dal gruppo magnetico, vengono allontanati dal trasportatore che contiene il materiale desiderato e deviati nell’area di raccolta. Sono disponibili vari gradi di sofisticazione che permettono alla miniera di essere abbastanza selettiva nella raccolta e separazione dei materiali.
6. Creazione di isotopi di radiazione :
Molte forme di ricerca medica utilizzano la radiazione sotto forma di isotopi. Questi isotopi sono usati per isolare e osservare varie forme di problemi medici; diabete, cancro e AIDS sono solo alcuni esempi. La maggior parte di questi isotopi sono prodotti; non sono abbondanti nelle loro forme naturali. La conoscenza presentata sopra è effettivamente usata per produrre questi isotopi. Un dispositivo chiamato acceleratore fornisce ad un elemento (come il fosforo) un’enorme quantità di energia, inducendo l’elemento a cambiare stato e ad emettere radiazioni per minimizzare la sua energia.
7. Ricerca di fisica pura :
Gli esperimenti di fisica subatomica utilizzano il magnetismo per creare e osservare le più piccole strutture della materia. Forze attrattive e repulsive sono generate dal magnetismo in camere ambientali controllate. Le risposte sono previste per certe strutture della materia in circostanze controllate. L’osservazione delle risposte effettive chiarisce o smentisce le previsioni. Questo permette alla società di ottenere una comprensione più chiara di ciò che la materia consiste, e ci equipaggia meglio per risolvere i problemi futuri.
8. Motori – automobilistici, tagliaerba, mixer da cucina :
I produttori di motori utilizzano la stessa conoscenza di cui sopra per produrre la rotazione nei loro motori. Un motore è diviso in diverse aree a forma di cuneo. Segnali elettrici sincronizzati generano piccole forze attrattive che fanno ruotare il motore da una regione a cuneo alla successiva. La velocità del motore è direttamente correlata alla velocità di ripetizione dei segnali elettrici.
9. Incontinenza – sostituzione della valvola della vescica :
Purtroppo, alcune persone soffrono di incapacità di urinare su richiesta; questa è una forma di incontinenza. Nel tentativo di assistere queste persone, sono state sviluppate valvole vescicali artificiali. Queste valvole sono impiantate chirurgicamente all’interno dell’individuo. La valvola contiene un fluido che contiene quantità di un oggetto morbido disperso uniformemente nel fluido. Un magnete permanente che produce una forza attrattiva viene quindi utilizzato per spostare la valvola e aprire il tratto urinario.
10. Dentiere :
Una nuova forma di adesione della dentiera utilizza le conoscenze di cui sopra. Piccoli pezzi di magnete permanente sono impiantati chirurgicamente nelle gengive di un individuo, e pezzi di oggetti morbidi sono posti in porzioni selezionate della dentiera. Quando la dentiera viene poi messa in posizione, l’adesione risulta dall’attrazione.
11. Levitazione di treni :
La repulsione magnetica è usata per far levitare i treni. Un insieme di dipoli molto forti (il treno) subisce una forza repulsiva da un altro insieme di dipoli (il binario). Come risultato, il treno si allontana il più possibile dal binario e viene almeno parzialmente fatto levitare. Questa levitazione riduce la resistenza che il treno incontra per muoversi (attrito). Il treno richiederà quindi meno carburante per spostarsi da una stazione all’altra e potrà muoversi anche a velocità più elevate.
12. Navigazione con la bussola :
La navigazione con la bussola si realizza perché la terra genera magnetismo. Geograficamente la parte superiore del globo è etichettata come “Polo Nord”, e la parte inferiore come “Polo Sud”. Attualmente il ‘Polo Nord’ della terra è magneticamente un polo sud, e il ‘Polo Sud’ della terra è magneticamente un polo nord. Una bussola nella posizione ‘A’ sulla Terra indicherà il ‘Polo Nord’ della Terra. Se consideriamo la conoscenza attrattiva che abbiamo imparato da sopra, diventa evidente che l’estremità della bussola etichettata con una ‘N’ deve essere magneticamente un polo nord, e l’estremità della bussola etichettata con una ‘S’ deve essere magneticamente un polo sud. Questa configurazione della bussola le permette di minimizzare la sua energia puntando al ‘Polo Nord’ della Terra, che naturalmente fornisce il nostro riferimento direzionale.
13. Tag di sicurezza per articoli di negozi e biblioteche :
Per le misure di sicurezza è necessario determinare se un oggetto (sia un libro in una biblioteca o un paio di jeans in un negozio) lascia un’area designata senza permesso. Questo controllo può essere fatto con il magnetismo. Come abbiamo visto, un gruppo di dipoli può avere risposte uniche al loro ambiente. Alcuni oggetti morbidi e alcune combinazioni di oggetti duri e morbidi in uno schema a mosaico mostrano risposte così uniche che possono essere usati come “tag”. Se una persona lascia l’area designata in modo appropriato, il tag viene neutralizzato o rimosso. Se non lo fa, allora il ‘tag’ attiva i sistemi di rilevamento, e un allarme suona notificando alle autorità il problema.
14. Navigazione degli squali :
Gli squali navigano nell’oceano in riferimento al “Polo Nord” e al “Polo Sud” della terra. Mentre nuotano, muovono regolarmente la testa da un lato all’altro. Si è scoperto che hanno piccoli elementi di rilevamento nella testa che convertono l’energia magnetica della terra in impulsi elettrici. Questi impulsi sono utilizzati dallo squalo per mantenere un riferimento direzionale per la navigazione.
La risonanza magnetica nucleare avviene anche come risultato della minimizzazione dell’energia. I fisici molto tempo fa ipotizzarono un insieme unico di condizioni ambientali che avrebbero in effetti causato la precessione di un dipolo magnetico per poi farlo girare continuamente come una trottola (o risuonare) al fine di minimizzare la sua energia. I dipoli liberi in presenza delle seguenti condizioni ambientali uniche produrranno risonanza magnetica; un forte campo di allineamento applicato in una direzione simile alle ore dodici, e un campo oscillante pulsato (di breve durata) applicato nella direzione simile alle ore tre. (vedi figura 8) Il campo applicato oscillante pulsato ha la forma di una funzione sinusoidale a una frequenza da qualche parte nella gamma delle radiofrequenze (diversi milioni di cicli al secondo). La frequenza determina quante volte una funzione viene ripetuta in un determinato lasso di tempo. Più veloce è la frequenza, più velocemente la funzione cambia, e più cicli saranno stati prodotti.
Il risultato dell’esperimento sopra ipotizzato ci ha fornito uno strumento di osservazione estremamente importante che non è invasivo; ciò significa che il materiale o l’oggetto osservato non viene alterato o distrutto. Questa tecnica si chiama Risonanza Magnetica (RM).
15. Risonanza magnetica per l’analisi del contenuto di umidità &grasso :
La risonanza magnetica è usata dai produttori di alimenti (come Pepperidge Farm) per monitorare e ottimizzare il contenuto di acqua e grasso nei loro ingredienti al fine di determinare e mantenere il gusto e la durata di conservazione. Piccole quantità di materiali sono poste in un dispositivo che duplica le condizioni di cui sopra. La risposta di risonanza viene monitorata e direttamente correlata al contenuto di acqua o di grasso. Questo viene realizzato perché l’acqua e il grasso contengono entrambi dipoli magnetici e la loro risposta è abbastanza diversa da essere distinta.
16. Risonanza magnetica per immagini di organi del corpo & :
La risonanza magnetica è usata per produrre immagini 3D degli organi del corpo con una chiarezza e una risoluzione superiore a quella dei raggi X convenzionali, e senza l’uso di raggi X dannosamente penetranti. La produzione di un’immagine utile richiede una serie di condizioni ancora più speciali di quelle descritte sopra. L’allineamento del campo applicato è ancora richiesto, ma questo campo ora ha due componenti, un campo uniforme e un campo a gradiente. Un campo uniforme è un campo che ha una grandezza su un volume come una sfera di 16 pollici di diametro che differisce dalla media solo di 30 o 40 parti per milione (ppm), o in alternativa solo di .003 o.004 per cento (%) in qualsiasi punto della sfera. Il campo di gradiente è un campo che cambia linearmente con la distanza dal centro della sfera mentre ci si sposta verso il bordo della sfera. Questo campo di gradiente fornisce un mezzo per determinare le relazioni spaziali durante la produzione dell’immagine, e quindi è un importante contributore all’aumento della chiarezza e della risoluzione che una risonanza magnetica fornisce. Il campo uniforme e il campo di gradiente sono usati simultaneamente per allineare i dipoli nella regione di osservazione. Questi dipoli minimizzano le loro energie allineandosi con il campo. Ora viene introdotto il campo pulsato; come descritto sopra, i dipoli risuoneranno per minimizzare al meglio le loro energie. Questa risonanza viene monitorata e registrata come un impulso elettrico. Una sequenza di diversi campi di gradiente sarà applicata coprendo l’intera area dell’organo di interesse. Una volta che tutti i dati sono stati raccolti (questo richiede quasi un’ora) vengono elaborati da un potente computer per produrre l’immagine 3D.
17. Trasformatori delle linee di trasmissione :
Gli oggetti magnetici morbidi sono utilizzati dalle compagnie elettriche. I grandi trasformatori (sia residenziali che industriali) convertono l’energia da una forma in energia di un’altra forma. In particolare trasformano la tensione di una grandezza in una tensione di 110 o 220 volt, che sono le tensioni tipiche degli elettrodomestici. Le linee di trasmissione contengono diverse migliaia di volt, e un trasformatore che contiene oggetti softmagnetici è usato per trasformare questa grande ampiezza di tensione nei 110 e 220 volt usati in casa tua.
18. Testine di registrazione – VCR, audio & video cassette, hard & floppy disk drive :
Una speciale sequenza di codifica viene utilizzata per realizzare la memorizzazione delle informazioni. Questa sequenza di codifica richiede che l’energia (sotto forma di campi applicati) sia presentata ai supporti di memorizzazione in piccole aree organizzate. Gli oggetti softmagnetici sono usati per incanalare questa energia magnetica in luoghi appropriati al fine di realizzare la memorizzazione delle informazioni.
19. Supporti di registrazione – VCR, audio &cassette video, hard & floppy disk drive :
Come detto in precedenza, i supporti di registrazione sono oggetti magnetici duri. Queste forme di media sono ampiamente utilizzate nella nostra vita quotidiana, direttamente o indirettamente. L’informazione desiderata viene salvata sul materiale magnetico per essere recuperata in seguito. Siamo anche in grado di registrare e ri-registrare a nostro piacimento senza degradazione delle prestazioni o delle capacità.
20. Carte di credito &Tessere bancomat :
La maggior parte delle carte di credito contengono una striscia di oggetto magnetico duro sul retro della carta. Questa striscia contiene informazioni codificate; in particolare, il vostro nome(i), il numero(i) di conto, e probabilmente qualche altro elemento speciale. Quando fai un acquisto con una carta di credito è ormai raro che il commesso debba parlare con qualcuno per chiarire la tua capacità di acquistare un articolo. Invece il commesso passerà la vostra carta attraverso una piccola scatola. Questa scatola è un’interfaccia intelligente tra il negozio e l’ufficio della carta di credito. L’informazione della vostra carta di credito viene letta dalla piccola scatola, e viene poi passata direttamente al computer della carta di credito attraverso una linea telefonica. Il commesso inserirà quindi l’importo del tuo acquisto e aspetterà un numero di approvazione. Se usi un bancomat, il bancomat accederà alle informazioni del tuo conto dalla tua carta e poi ti chiederà di iniziare le transazioni bancarie. Tutte le selezioni sono controllate dal computer e completamente automatizzate e tutte avviate da magnetics.