Magnetismo terrestre
La proprietà della magnetite di attrarre metalli era stata osservata dall'antichità classica e intorno al 1550, con G. Cardano, era stata operata una prima distinzione tra 'virtus magnetica' e 'virtus elettrica'. Al contrario dell'elettricità, tuttavia, la scienza del magnetismo subì una evoluzione molto più lenta. Anche se l'uso della bussola era noto da tempo e già W. Gilbert, nel 1600, aveva attribuito alla Terra le proprietà di una enorme calamita, nel corso del Settecento le forze magnetiche venivano ancora considerate alla stregua di "poteri occulti" di cui era complicato dare una descrizione quantitativa.
Nei primi decenni dell'Ottocento alcune osservazioni sperimentali contribuirono a evidenziare la stretta connessione esistente tra fenomeni elettrici e magnetici.
Furono principalmente le osservazioni di H. C. Oersted nel 1819 (un filo percorso da corrente deflette l'ago di una bussola posto in prossimità), seguite dagli studi di Faraday sulla interazione tra magneti e conduttori percorsi da corrente (1821) e dalla scoperta, sempre di Faraday, della induzione elettromagnetica (1831) a portare, sul piano teorico, alla formulazione delle equazioni del campo elettromagnetico di Maxwell e sul piano applicativo alla nascita di trasformatori, dinamo, elettrocalamite, ecc. oltre alla strumentazione elettrica, a iniziare dal galvanometro.
Nell'ambito del magnetismo terrestre, le prime grandezze misurate furono la declinazione (con i 'declinometri', la cui storia si confonde con quella delle bussole), e a partire dalla seconda metà del Cinquecento, l'inclinazione e l'intensità di ciò che oggi denominiamo campo geomagnetico.
Un contributo rilevante ai procedimenti di misura del campo geomagnetico fu dato da K. F. Gauss nel suo laboratorio di Gottinga. Gauss realizzò, intorno al 1832, il primo magnetometro in grado di dare una misura assoluta del campo geomagnetico. Inoltre, i suoi studi teorici confermarono la natura dipolare del campo magnetico terrestre, la sua origine interna, la disposizione dei poli magnetici rispetto ai poli geografici, con un angolo di circa 11° tra i rispettivi assi.
In Italia, il primo osservatorio magnetico risale al 1880 per iniziativa dell'astronomo e geofisico Pietro Tacchini. A Roma fu impiantato un osservatorio dedicato a misurazioni geomagnetiche sulla Torre Leonina, alla Specola Vaticana, da Francesco Denza, intorno al 1890. Gli studi sul campo magnetico terrestre sono tuttora in evoluzione e hanno subito una importante svolta intorno al 1950, quando si scoprì l'influenza sensibile del vento solare sulla magnetosfera.
Bussola di inclinazione
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| Felice Morelli, Teatro Fisico della Sapienza di Roma; 1810 ca.; 34 x 34 x 60 |
La bussola di inclinazione, o inclinometro magnetico, misura la componente verticale del campo magnetico terrestre. L'ago magnetico, girevole intorno a un asse orizzontale, può ruotare in un piano verticale, che viene fatto coincidere con il meridiano magnetico; a tal fine sulla base, dotata di tre viti calanti, è fissato un cerchio orizzontale graduato, suddiviso in angoli centesimali da 0 a 200, che consente di ruotare il corpo dello strumento mediante un braccio sporgente.
L'angolo di inclinazione, formato dalla direzione individuata dal polo nord dell'ago e dal piano orizzontale, può essere letto direttamente sul cerchio verticale graduato al grado, sorretto da due colonnine di ottone. La scatola di ottone che racchiude l'ago, chiusa da pareti di vetro, può essere disposta in posizione orizzontale mediante le due viti laterali di fissaggio e consentire così anche misure di declinazione. Lo strumento dispone di una livella con viti di aggiustaggio. La bussola di inclinazione, ideata dall'inglese Robert Norman intorno al 1576, è stata impiegata fino a tutto l'Ottocento nei laboratori e nelle spedizioni scientifiche per lo studio del campo geomagnetico.
L'esemplare qui mostrato è stato costruito dal macchinista Felice Morelli e viene registrato nel catalogo del 1828 con il numero 293 e la scritta "gran bussola di inclinazione costruita dal fu Morelli secondo i principi di Humboldt".
Poiché la memoria di A. von Humboldt scritta insieme a J. B. Biot comparve nel 1804 (Sur le variations du magnetisme terrestre a differentes latitudes, Journal de Physique, 59 (1804) 429) e intorno al 1810 venivano costruiti inclinometri molto simili dal costruttore francese E. Lenoir sotto la supervisione di Humboldt, è ipotizzabile per la bussola di inclinazione conservata nel Museo quest'ultima data (cfr. Due secoli di strumenti geomagnetici in Italia (1740-1971), a cura di M. Basso Ricci, L. Cafarella, A. Meloni, P. Tucci, Bologna 1997, p. 96).
Bussola di Barrow di inclinazione
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| Henry Barrow, London; 1880 ca.; 18 x 18 x 24 |
Lo strumento è simile per principio di funzionamento alla bussola di inclinazione, ma è stato reso più compatto per renderlo trasportabile e molto più preciso rispetto al modello più antico. Una cassetta di trasporto e un cannocchiale provvisto di una piccola livella corredano lo strumento. La scatola di legno, chiusa da due pareti di vetro, contiene due cerchi verticali in rame e ottone, graduati, sulla cui periferia insiste l'ago (qui mancante), per le letture dell'angolo di inclinazione. La scatola presenta, nella parte posteriore, uno sportello che consente di accedere al sistema di sospensione dell'ago e agli ingranaggi interni dell'apparato. All'interno è presente una livella a bolla. Con opportune modifiche, lo strumento poteva fornire anche la misura assoluta dell'intensità totale del campo magnetico terrestre F, mediante più aghi di momento magnetico noto (metodo di Lloyd).
Per ridurre le perturbazioni magnetiche indotte da eventuali impurità nell'ottone, il sistema di lettura è esterno alla scatola ed è costituito da due microscopi, ciascuno provvisto di lente microscopica (qui mancanti) e di nonio con divisioni 0-20 e 20-30. Sul sostegno di base, provvisto di tre viti calanti, è fissato un cerchio orizzontale di ottone con due scale, una suddivisa in 360 parti, l'altra in 720 parti, con un nonio che consente di apprezzare i primi di grado. Il corpo centrale dello strumento può ruotare fino a che, sulla scala orizzontale, si individua la posizione del meridiano magnetico.
La scala verticale reca incisa sul bordo la scritta Henry Barrow & Co. 26 Oxendon, London, e la numerazione N° 31.
Inclinometro di Barrow
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| Henry Barrow, London; 1880 ca.; 17 x 17 x 25 |
Lo strumento, in grado di misurare l'inclinazione magnetica e l'intensità totale F del campo geomagnetico, è molto simile alla bussola di Barrow di inclinazione.
Il sistema di lettura è costituito da due microscopi rigidamente connessi al telaio anteriore e disposti a 180° per individuare la direzione dell'ago, mentre altri due microscopi, ugualmente connessi tra loro ma liberi di ruotare intorno a un asse orizzontale, consentono di leggere su una scala con nonio le posizioni degli estremi dell'ago. La scala è applicata su un piano verticale, esternamente alla scatola che conteneva l'ago (mancante); è suddivisa in 180 parti ed è provvista di un nonio ventesimale.
Solidale al telaio su cui sono fissati i microscopi vi è una livella, mentre un'altra livella è posta sulla base orizzontale dello strumento.
Sulla base era posta una scala circolare (mancante) che consentiva di valutare la posizione dell'ago rispetto al meridiano magnetico. La base probabilmente poggiava su un treppiede come nel modello più completo della bussola di Barrow.
Magnetometro di Weber
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| Ruhmkorff, Parigi; 1870 ca.; 28 x 30 x 87 |
La base dello strumento, circolare, può ruotare intorno a un asse verticale e poggia su tre piedini regolabili, per consentire di variare la posizione del magnetometro rispetto al meridiano magnetico. Sulla base è fissata una scatola parallelepipeda in cui è alloggiata una bobina con nucleo a sezione ellissoidale, cavo, di rame. All'interno della bobina è sospeso bifilarmente l'ago, costituito da un cilindro magnetico lungo circa 12 cm. Il filo di avvolgimento della bobina termina nei 6 elettrodi posti sulla base dello strumento. Nella parte superiore del collo di vetro sono presenti una vite di regolazione della sospensione e un cerchio di torsione graduato da 0° a 360°. Al filo è fissato uno specchio per le letture con il metodo della leva ottica. Lo strumento dispone di una livella a bolla d'aria.
Il magnetometro può essere impiegato sia per determinare l'intensità della componente orizzontale H del campo magnetico terrestre con il metodo delle oscillazioni, per confronto tra il periodo di oscillazione del magnete con quello di un altro magnete di diverso momento di inerzia, sia per misurare l'intensità di corrente che passa nella bobina dalla deviazione dell'ago sotto l'effetto del campo magnetico esterno e di quello prodotto nella bobina, come avviene nella bussola delle tangenti.
Lo strumento è stato progettato e impiegato da K. F. Gauss e W. Weber nell'ambito delle ricerche condotte presso la Goettingen Magnetische Verein intorno al 1838, per la determinazione assoluta dell'intensità della componente orizzontale del campo magnetico terrestre. Nella storia della strumentazione, il magnetometro di Weber segna il passaggio delle tecniche di misura dal geomagnetismo all'elettricità.
(M. Grazia Ianniello)