Gli antichi greci conoscevano le proprietà sia dell’ambra (ἤλεκτρον - electron) sia della magnetite (μαγνήτης λίθος – magnétes líthos) Fe₃O₄.
Mentre però l’elettrostatica riguarda tutte le sostanze divise a grandi linee in conduttori (soggetti ad induzione) ed isolanti (soggetti a polarizzazione), il magnetismo si presenta molto più complesso.
In questo caso infatti le sostanze sono classificate in ferromagnetiche, paramagnetiche, diamagnetiche, ferrimagnetiche e antiferromagnetiche.
I magneti permanenti fanno parte solo di alcune sostanze ferromagnetiche.
I tentativi di spiegarne le proprietà nell’ambito della fisica classica sono stati insoddisfacenti e si è dovuto attendere studi nell’ambito della fisica quantistica, pur se restano ammirevoli intuizioni e modelli come quelli di Ampere e di Weiss.
Ampere (tra il 1820 e il 1827) fece l’ipotesi che le proprietà di in un magnete naturale derivassero dalla presenza di correnti microscopiche al suo interno, ma non spiegava perché esistevano solo in alcune sostanze.
P. E. Weiss nel 1906 ipotizzò che nelle sostanze ferromagnetiche vi fossero delle micro-zone (domini di volume dell’ordine di 10-2 mm3 composti da 1017 – 1021 atomi) nelle quali i momenti magnetici atomici fossero già orientati, ma che normalmente le orientazioni fossero casuali e quindi disordinate. Sotto l’effetto di un campo magnetico esterno i domini si sarebbero orientati e il campo magnetico totale si sarebbe rafforzato.
In alcune sostanze particolari questo ordine sarebbe restato anche dopo la cessazione del campo esterno.

Immagine da https://it.wikipedia.org/wiki/Dominio_magnetico

Immagine da https://www.istitutomontani.edu.it/museovirtuale/

Immagine da https://www.istitutomontani.edu.it/museovirtuale/

I magneti naturali, come la magnetite, fanno ormai parte di collezioni museali, mentre i magneti artificiali hanno una diffusione sorprendente e sono impiegati in numerosissime applicazioni. I magneti artificiali sono composti generalmente da leghe di Ferro, Cobalto, Nichel, Alluminio e Rame. E, a seconda delle presenze e delle percentuali, prendono i nomi di Alnico, Ticonal, Alcomax, Hycomax, ecc.
I magneti permanenti più potenti sono di leghe di Neodimio, Ferro e Boro, presenti ad esempio negli hard disk meccanici.
Per magnetizzare un oggetto ferromagnetico occorre immergerlo nel campo prodotto da un elettromagnete: questo è costituito da una bobina avvolta intorno ad un nucleo di ferro dolce e alimentata da una corrente continua.
Il ferro dolce infatti ha la caratteristica di diventare fortemente magnetico sotto l’effetto di un campo esterno, ma di perdere subito il suo magnetismo non appena cessa il campo induttore. Un modo molto meno efficace per magnetizzare un oggetto ferromagnetico è strofinarlo più volte nello stesso senso con una calamita o solo avvicinandolo ad essa per induzione.
I magneti permanenti hanno la proprietà di conservare a lungo un forte magnetismo residuo. A meno che non vengano riscaldati e portati ad una loro particolare temperatura, detta di Curie, sopra la quale diventano debolissimi magneti (paramagnetismo).
Inoltre i magneti permanenti di fatto non lo sono, poiché nel tempo perdono pian piano il magnetismo a causa del lento disordine, dovuto all’agitazione termica, che disorienta i domini di Weiss.
Oppure perdono il magnetismo per urto meccanico.
Un metodo per far conservare più a lungo il loro magnetismo consiste nel mettere tra il polo N e il polo S un circuito magnetico chiuso fatto di barrette di ferro dolce, o altri magneti disposti in modo opportuno.

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied transalted from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co. New York 1910

Ma ora finalmente dedichiamoci agli aspetti più vicini agli esperimenti di laboratorio.
Dall’orientamento dell’ago magnetico rispetto al magnetismo terrestre derivano i nomi polo nord e polo sud dati alle estremità dei magneti. Poli omologhi si respingono poli diversi si attraggono. Ma attenzione, questi fenomeni non hanno alcuna analogia con quelli delle cariche elettriche.
All’interno delle calamite vi sono infatti i domini di Weiss orientati, ognuno dei quali ha il suo polo nord affacciato al polo sud di quello vicino, ecc. col risultato macroscopico di avere una estremità Nord e l’altra Sud.
Se proprio si vuol trovare una analogia con l’elettrostatica, si pensi alla polarizzazione di un dielettrico.
Piuttosto, dalla proprietà del ferro dolce di magnetizzarsi per induzione e di smagnetizzarsi al cessare del magnetismo esterno, deriva la semplice esperienza con varie calamite, un cartoncino di poco spessore e limatura di ferro dolce.
Si depone un velo uniforme di limatura sul cartoncino orizzontale e si avvicina la calamita fino ad appoggiarla sotto il cartoncino. La limatura si dispone lungo linee che configurano il campo magnetico lungo il piano del cartoncino. Semplice e molto istruttiva, visualizza il carattere vettoriale del campo magnetico B le cui linee per convenzione vanno da polo sud al polo nord.

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied transalted from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co. New York 1910

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied transalted from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co. New York 1910

Chi non si è divertito a sollevare per attrazione dei chiodini, appesi in file verticali?

Immagine Immagine da Physical Apparatus, Baird & Tatlock (London) Ltd. 1912

Per dimostrare che i poli di un magnete sono diversi e si annullano mutualmente si prende un nastro magnetizzato e con esso si attrae un cilindretto di ferro dolce, poi si fanno toccare i due poli e il cilindretto cade.

Immagine Catalogue des Appareils pur l'Enseignement de la Physique construits par E. Leybold's Nachfolger Cologne, 1905

È altresì noto che, se si divide un magnete in due parti, queste parti conservano alle estremità originali i loro poli N e S, mentre nelle due facce dovute alla divisione appaiono un S e un N. E così via ad ogni nuova divisione, fino ad arrivare a microgranuli.
In fisica quantistica è stata più volte avanzata l’ipotesi dell’esistenza di particelle chiamate monopoli magnetici, ma finora non sono mai state rivelate.

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied transalted from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co. New York 1910

Questa voce è dedicata solo a magneti dalle forme semplici, come a barra o ad U (detto anticamente a ferro di cavallo) e alle loro interazioni con materiali ferromagnetici, ma bisogna tenere ben presente che le interazioni tra cariche elettriche in moto e magnetismo, tra campi elettrici variabili e campi magnetici variabili ecc., rivestono una enorme vastità e complessità tali da interessare gran parte delle conoscenze fisiche.

Il primo tentativo di misurare un campo magnetico si deve a Biot e Savart che, nel tentativo di trovare la legge della forza che faceva deviare l’ago magnetico, riuscirono a misurarne il periodo di oscillazione in funzione della distanza da un filo rettilineo percorso da corrente (30 Ottobre 1920).
Riportiamo qui la descrizione quasi integrale del più semplice magnetometro che si trova a pag. 201 del testo L. Olivieri E. Ravelli, Elettrotecnica, vol. I, Cedam, Padova, 1959.
L’ago magnetico è sospeso da una leggerissima molla spirale, sostenuta a sua volta da una manopola girevole con l’indice che scorre sopra una scala graduata.
Quando l’ago viene immerso normalmente al campo magnetico B, esso viene deviato verso f ; la sua deviazione è impedita dall’arresto che agisce sull’asticciola connessa alla sospensione dell’ago. Allora si gira la manopola nel verso f torcendo la molla in senso opposto alla deviazione dell’ago: quando la coppia della molla equivale la coppia dell’ago magnetico si ha l’equilibrio. L’angolo ottenuto girando la manopola, indicato dall’indice fornisce la misura direttamente proporzionale alla coppia.

Immagine da Physical Apparatus, Baird & Tatlock (London) Ltd. 1912

Immagine da L. Olivieri E. Ravelli, Elettrotecnica, vol. I, Cedam, Padova, 1959

Oggi magnetometri molto sofisticati si trovano negli smartphone.
L’unità di misura del campo magnetico B è il Tesla 1T = 1N /(1A × 1m).

Immagine da Aliexpress