Fisica

La relatività speciale ed i magneti

Solamente pochi elementi in natura sono permanentemente dei magneti, ad esempio il ferro lo è, mentre il rame no. Se tuttavia facciamo correre della corrente attraverso un qualsiasi metallo, questo diventa un magnete, o meglio un elettromagnete. Il motivo che permette questo fenomeno è una conseguenza della relatività speciale di Einstein, ce lo spiega questo video di MinutePhysics e Veritasium.

La relatività speciale dimostra come nel nostro universo lo spazio ed il tempo non siano assoluti, ma sono percepiti in maniera diversa da osservatori che sono in movimento gli uni rispetto agli altri, ovvero sono relativi. Se misurassimo con sufficiente precisione troveremmo che il tempo che misuriamo passa più velocemente rispetto a quello misurato da persone in movimento rispetto a voi. Pensate di essere fermi e contare 6 ore, allo stesso tempo un’altra persone è in moto costante rispetto alla vostra posizione ferma, quando voi arrivate a misurare un totale di 6 ore, la persona in movimento rispetto a voi avrà misurato 5 ore, 59 minuti e 59,9999999999 secondi.

Gli oggetti in movimenti sono inoltre contratti nella direzione del loro movimento. Quando un oggetto si muove verso di voi occupa quindi meno spazio rispetto a quello che occupa quando è fermo.

Per quanto questi fenomeni siano poco apprezzabili per le grandezze cui siamo soliti confrontarci, la contrazione spaziale è quando permette il funzionamento degli elettromagneti.

Pensate alla struttura di filo di rame, questo è fatto da un insieme di ioni metallici positivi immersi in un mare di elettroni negativi. Il numero di protoni è pari ad il numero di elettroni, e pertanto in totale il filo di rame ha carica neutra. Se immaginiamo un gatto con carica positiva in prossimità del filo di rame non sarebbe sottoposti ad alcuna forza proveniente dal filo.

Immaginiamo che ora gli elettroni del filo di rame siano in movimento, quando accade durante il passaggio di corrente. Anche in questa condizione il numero di cariche positive e negative non cambia. Supponiamo ora che il gatto con la carica positiva cominci a muoversi, per semplicità immaginiamo che si muova nella stessa direzione e velocità degli elettroni nel filo. Nel nostro punto di osservazione il bilanciamento delle cariche nel filo è sempre neutro e non dovrebbe esserci nessuna forza sul gatto con al carica positiva. Consideriamo però quando succede dal punto di osservazione del gatto: in questo punto di riferimento sono le cariche positive a muoversi e secondo la relatività speciale la distanza che le separa diventerebbe leggermente più contratta e gli elettroni, fermi sarebbero separati da una distanza maggiore.

L’insieme di questi due cambiamenti fa si che vi sia un maggior densità di cariche positive rispetto a quelle negative. A questo punto il filo non avrebbe più carica neutra, ma positiva, e quindi respingerebbe il gatto con la carica positiva. Il risultato è che mentre dal nostro punto di osservazione un filo di rame attraverso il quale passa corrente si comporta in modo bizzarro, in quanto pur avendo, dal nostro punto di osservazione, una carica neutra, mentre non applica alcuna forza su una carica positiva ferma, è in grado di respingere una carica in movimento.

Quest’esperimento mostra anche come un campo magnetico sia un campo elettrico osservato da un punto di vista diverso: dal punto di vista del gatto con al carica positiva, questo viene respinto dal filo per via del campo elettrico creato dall’eccesso di cariche positive che si crea per la contrazione dello spazio. Dal nostro punto di vista, il gatto con la carica positiva viene respinto da un filo dalla carica neutra che produce un campo magnetico.

Gli elettromagneti sono quindi un risultato quotidiano della relatività speciale, il che può sembrare strano, sapendo che gli elettroni si muovono durante una corrente a 0.0000000001% della velocità della luce, quindi come fa la relatività speciale a poter provocare questo fenomeno? Il fatto è che in un metallo ci sono una tale quantità di elettroni e l’interazione elettrica è talmente forte che perfino il più minimo effetto di contrazione dello spazio può provocare sbilanciamenti di carica che producono una forza notevole.