La scienza con il magnetometro dello smartphone

La scienza con il magnetometro dello smartphone

I nostri smartphone celano al loro interno dei rivelatori estremamente sensibili che superano oggi i sogni più arditi degli scienziati del passato. In un articolo precedente, abbiamo visto come sia possibile utilizzare l’accelerometro dello smartphone per studiare il campo gravitazionale e le forze reali e “apparenti”. Analogamente, possiamo sfruttare il magnetometro per misurare l’intensità e la direzione dei campi magnetici che – invisibili – ci circondano (qui https://phyphox.org/ un’app che permette di misurare il campo magnetico, le loro variazioni nel tempo e le loro armoniche). Il vettore induzione magnetica, spesso (si veda nota in calce) chiamato campo magnetico, B, è un vettore, e ha dunque un’intensità e direzione che può essere scomposta nelle componenti x, y e z registrate e visualizzate dallo smartphone.  

Figura 1. Una schermata dell’App Phyphox (https://phyphox.org/), con visualizzate le tre componenti del campo magnetico. Muovendo una calamita vicino al telefono si può vedere come l’intensità del campo vari di conseguenza.

Esperimento in classe

Il primo esperimento che possiamo fare è quello di muovere lo smartphone e vedere come cambiano le tre componenti del campo magnetico. Qual è la componente con il valore massimo? Che cosa succede se ruoto lo smartphone? Riesco a invertire i valori? I valori del mio telefono con quello dei miei compagni e delle mie compagne sono simili, diversi… e quanto diversi?

Possiamo poi spostarci nella classe e vedere come varia il campo magnetico. Riesco a trovare punti o regioni della classe dove è massimo e dove è minimo? I valori di massimo e minimo sono gli stessi per tutti? Se mi avvicino a oggetti ferrosi, come ad esempio le gambe delle sedie o dei banchi, che cosa succede al campo magnetico? Aumenta o diminuisce? C’è un punto dove il campo magnetico raggiunge lo zero (spoiler: no, vedi dopo!)

Se poi abbiamo a disposizione una calamita e la avvicino al telefono, che cosa succede? Che valori ottengo rispetto a quelli “normali” (Figura 1)?

Cercando il punto dello smartphone dove l’intensità è massima, riesco a localizzare dove si trova il sensore? (Qui https://youtu.be/-s2haWKq3pQ un video che mostra i vari esperimenti).

Approfondimenti

1) Misure “avanzate”: 1.  Il campo magnetico terrestre

Abbiamo visto come il campo magnetico non raggiungere mai lo zero, ma si attesta intorno a valori minimi pari approssimativamente di 30-40 microTesla (Figura 6). Questo non è altro che il campo magnetico terrestre. È un valore piccolo se paragonato, ad esempio, a quelli generati dalle macchine per le risonanze magnetiche, che possono arrivare a 1-4 Tesla, ossia circa 100.000 volte più intensi.  Il campo geomagnetico è dovuto alle correnti elettriche che scorrono nel sottosuolo, anche se il meccanismo esatto è ancora oggetto di studio. Come nel caso del campo magnetico del Sole, anche quello terrestre è soggetto a periodiche inversioni di polarità. Queste oscillazioni vengono registrate nelle rocce vulcaniche, che contengono materiale ferromagnetico. Dato che la lava è un fluido, i microscopici dipoli magnetici possono ruotare e allinearsi parallelamente alla direzione del campo magnetico. Quando la lava si solidifica, i dipoli rimangono bloccati nella direzione del campo magnetico al momento dell’eruzione. Dall’analisi della polarizzazione delle rocce, soprattutto di quelle nella faglia dell’oceano Atlantico, sappiamo che queste inversioni non sono regolari come quelle del Sole, che ha un periodo undecennale, ma hanno una periodicità molto più variabile, il tempo tra l’una e l’altra, infatti, va da qualche centinaio di migliaia ai milioni di anni (Figura2).

Figura 2. Polarità geomagnetica negli ultimi 5 milioni di anni (Pliocene e Quaternario, tarda era cenozoica). Le aree scure indicano i periodi in cui la polarità corrisponde alla polarità odierna; le aree chiare indicano i periodi in cui la polarità era invertita.

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Figura 3. Declinazione del campo magnetico terrestre dal 1590 al 1990

ll campo geomagnetico può essere paragonato a quello prodotto da una gigantesca calamita (figura 4) e presenta alcune caratteristiche peculiari.

Inversione. Le linee di forza del campo magnetico terrestre escono dal polo sud geografico e rientrano al polo nord, il che significa che il polo nord geomagnetico è in realtà il polo sud di una calamita. 

Inclinazione. Il polo nord magnetico non coincide con il polo di rotazione terrestre ed è inclinato di circa 11 gradi rispetto all’asse di rotazione terrestre. Inoltre, la posizione del polo magnetico si sposta gradualmente ogni anno. Questo spostamento è così significativo che le vecchie carte militari non riportano solo l’intensità del campo magnetico, ma anche la sua variazione nel tempo (la derivata), al fine di consentire il calcolo della posizione sulla carta anche dopo molti anni dalla sua creazione.

Traslazione. Il centro del dipolo magnetico ideale non si trova al centro della Terra, ma è traslato di alcune centinaia di chilometri. Questo porta a una differenza nell’intensità da regione a regione, risultando più debole nel Sud America rispetto alla Cina. Mentre questa differenza è minima a livello del suolo, ha un impatto significativo nello spazio, poiché sposta la fascia interna di radiazione che comprende protoni intrappolati nel campo geomagnetico. In particolare, nella regione del Brasile, conosciuta come Anomalia del Sud Atlantico, la fascia di radiazione si trova più in basso di alcune centinaia di chilometri rispetto a quanto ci si potrebbe aspettare. Questo significa che gli astronauti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, quando attraversano questa regione, sono esposti a una più elevata, per quanto non pericolosa, dose di radiazione ionizzante.

Figura 4. Il campo magnetico terrestre: una gigantesca calamita invertita e inclinata

Se osserviamo una classica bussola ad ago, vedremo che essa si allinea verso il Nord (o meglio il Sud magnetico), ma le linee di forza del campo geomagnetico non sono parallele alla superficie terrestre (lo sono solo all’equatore), ai poli sono ortogonali e a latitudine intermedie hanno una inclinazione di qualche grado. Con lo smartphone è possibile verificare anche questo fenomeno: se poniamo il telefono sul tavolo vedremo, infatti, che la componente z (perpendicolare allo schermo) è diversa da zero. Per visualizzare l’inclinazione del campo magnetico possiamo orientare il telefono in maniera che la sola componente Y sia non nulla.  

Figura 5. Per visualizzare la direzione del campo magnetico   si può cercare di inclinare e orientare il nostro smartphone sino a che tutto il campo sia allineato all’asse Y (parallelo al lato lungo del cellulare).

2) Misure “avanzate”: 2. circuiti e motori.

Ponendo poi il telefono vicino a un materiale ferroso o ai fili elettrici è possibile vedere come l’intensità del campo magnetico aumenti. Grazie a questo fenomeno, è possibile anche trovare tubi o cavi elettrici sotto le pareti ed evitare di trapanare  (c’è un’app, anche per questo).

Si può anche misurare il campo in prossimità di circuiti elettrici e vedere che tipo di segnali e interferenze questi emanano. Va ribadito (ma lo potrete misurare di persona) che le intensità sono molto piccole e di solito comparabili a quelle del campo geomagnetico per cui assolutamente non pericolose.  In Figura 6 misuriamo le emissioni periodiche dell’elettronica del forno a microonde (NON le microonde, che sono contenute all’interno del forno e comunque non sarebbero rilevabili dallo smartphone), mentre in Figura 6 è mostrato il campo elettrico generato dal passaggio di un motore elettrico di un trenino. Anche salendo a bordo di treni e tram elettrici potremo misurare le molto più ampie variazioni del campo magnetico generato dai loro motori. 

Figura 6. Il campo magnetico in prossimità di un forno a microonde. Si noti la modulazione periodica delle emissioni (non pericolose) elettromagnetiche. Il campo è dovuto ai circuiti elettrici del forno e NON alle microonde che rimangono contenute all’interno. Per fare questo esperimento assicuratevi di mettere, come in figura, un recipiente con acqua per non danneggiare il magnetron del forno a microonde. 

Figura 6. Il campo magnetico in prossimità di un forno a microonde. Si noti la modulazione periodica delle emissioni (non pericolose) elettromagnetiche. Il campo è dovuto ai circuiti elettrici del forno e NON alle microonde che rimangono contenute all’interno. Per fare questo esperimento assicuratevi di mettere, come in figura, un recipiente con acqua per non danneggiare il magnetron del forno a microonde. 

Figura 7. Il campo magnetico generato da un piccolo motore elettrico di un trenino. Ciascun picco del campo corrisponde ad un passaggio del trenino.  

Nota tecnica. Quello indicato impropriamente come campo magnetico nell’articolo è in realtà il vettore induzione magnetica. Si indica di solito con il simbolo B e si misura in Tesla (in onore del fisico croato). In assenza di correnti macroscopiche coincide con la magnetizzazione della calamita (che ha il suo vettore, M).  Il campo magnetico propriamente detto si indica con H e ha come misura le amperspire/metro. La relazione tra B e H è data da B=μH, con μ permeabilità magnetica.

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