Museo Astronomico di Brera - strumenti

Scheda strumento

Nome dello srumento: Magnetometro
Costruttore: Meyerstein
Luogo di Costruzione: Gottingen
Anno di Costruzione: 1835
Collocazione: Brera
Istituzione: Brera
Numero Inventario: 1009
Descrizione: Il magnetometro fu acquistato nel 1836 dagli astronomi milanesi per 237 fiorini circa dal direttore dell’Osservatorio Astronomico di Vienna, Joseph Johann Littrow (1781-1840), che a sua volta l’aveva avuto dal meccanico di Karl Friedrich Gauss (1780-1855). Per sopperire alle ingenti spese, Milano cedette a sua volta un proprio magnetometro a Pietro Configliacchi (1777-1844), direttore della Facoltà di Filosofia-Matematica dell’Università di Pavia. Tale strumento era stato costruito da Carlo Grindel (1780-1854), meccanico dell’Osservatorio, riproducendolo dal modello originale di Gauss, che gli astronomi milanesi ebbero modo di osservare, nel 1834, in occasione di una visita in Italia di Wolfgang Sartorius Waltershausen (1809-1876) e Johann Benedict Listing (1808-1882) per effettuare misure magnetiche con gli strumenti di Gauss. I due studiosi tedeschi, studenti di Gauss, coinvolsero gli astronomi milanesi nella Magnetische Verein, l’associazione di coloro che eseguivano misure con i nuovi strumenti gaussiani. In questo quadro, Francesco Carlini (1783-1862), il direttore dell’Osservatorio allora in carica, fece costruire due magnetometri e incaricò l’astronomo Karl Kreil (1798-1862) di effettuare osservazioni magnetiche. Le misure, iniziate nel 1836, furono eseguite fino al 1922 quando, a causa delle perturbazioni magnetiche dovute all’urbanizzazione della zona, furono interrotte. La serie delle osservazioni della variazione diurna della declinazione di Milano, insieme a quelle di Monaco, forniscono una delle più ricche serie di dati ottocentesche. Fra i motivi che spinsero gli astronomi milanesi ad eseguire le misure del campo geomagnetico l’interesse per le possibili relazioni tra il geomagnetismo e le scienze cosmiche fu sicuramente uno dei più importanti. Allo scopo di indagare sull’argomento, furono studiate le relazioni che intercorrevano tra le variazioni del campo e la posizione della Luna (studi effettuati da Kreil tra il 1836-1839) e successivamente, nella seconda metà del secolo, Giovanni Virginio Schiaparelli (1835-1910), il direttore che succedette a Carlini, tentò di approfondire la relazione tra il geomagnetismo e le macchie solari. I dati di Milano venivano mensilmente spediti a Rudolph Wolf (1816-1893), direttore dell’Osservatorio Astronomico di Zurigo e i valori della declinazione furono pubblicati, dal 1836 al 1848, sul quotidiano “Gazzetta Privilegiata”. In un unico volume Primo Supplemento delle ”Effemeridi Astronomiche di Milano” nel 1836, furono pubblicati sia i risultati delle osservazioni che la traduzione dell’opera originale di Gauss, l’Intensitas, con l’aggiunta delle note esplicative di Paolo Frisiani senior (1797-1880). Fu descritto anche lo strumento che Gauss aveva descritto solo brevemente nella traduzione tedesca dell’Intensitas del 1833, aggiungendo le modalità di misura. Il volume apparve prima che fossero pubblicate le descrizioni più divulgative, curate dallo stesso Gauss nella sua rivista del 1837-1843 Resultate aus den Beobachtungen des magnetischen Vereins, 6 voll. (Göttingen, Leipzig: 1837- 1843). Nel 1839 fu pubblicato un Secondo Supplemento alle “Effemeridi di Milano” con il risultato di tre anni di osservazioni. Per tale intensa attività, Milano costituì un centro per quanti si interessavano agli studi di geomagnetismo. Lo strumento serve a rilevare con grande precisione la declinazione magnetica e l’intensità del campo, ossia l’angolo tra la componente orizzontale del campo magnetico e la direzione del Nord geografico. Si può così determinare la variazione, diurna o su periodi più lunghi, della declinazione magnetica e, integrando con altri dati, l’intensità assoluta del campo magnetico terrestre. Una barra magnetica, sospesa mediante un filo di seta senza torsione, è libera di ruotare in un piano orizzontale. Il quadrato del periodo di oscillazione è inversamente proporzionale al prodotto MH dove M è il momento magnetico della barra e H la componente orizzontale del campo magnetico terrestre. La barra viene poi sostituita da un’altra barra magnetica che viene sottoposta all’azione della prima e del campo magnetico terrestre, subendo una deviazione che è proporzionale al rapporto M/H. Uno specchio è montato sulla barra; la lettura della deviazione di quest’ultima avviene attraverso un telescopio di un teodolite, posto a distanza. Un tamburo di legno, chiuso superficialmente da lastre di vetro mobili a spicchi, è posto su un treppiede di legno a viti calanti di metallo, che si chiude superiormente ad un’altezza di 3.30 m e che sorregge il tubo di vetro nel quale corre il filo di sospensione di seta. Nel tamburo è posta la barra magnetica, che è in acciaio di Uslar lunga 60.9 cm circa, con inciso N.4. La barra è posta in una staffa a croce che permette di inserirla in quattro posizioni, ognuna ruotata di 90° rispetto alla precedente, per controllare se lo specchio è normale all’asse magnetico e per correggere la non coincidenza fra asse geometrico e asse magnetico. Sulla staffa è posto il cerchio di torsione. Il cerchio è firmato M. Meyerstein in Gottingen, è graduato 0°-360°, suddiviso in gradi. Moritz Meyerstein (1808-1882) era macchinista dell’Osservatorio di Göttingen. Il cerchio ruota insieme al filo, mentre l’indice è fisso. La lunghezza del filo può essere variata agendo su una vite alla quale il filo stesso è sospeso. A differenza degli altri strumenti, il cerchio di torsione è posto inferiormente. Ad un’estremità dell’ago è fissata una leggera intelaiatura che regge lo specchio. Si osserva la posizione dell’ago grazie a un teodolite di Reichenbach und Ertel, in cui è riflessa una scala graduata in millimetri posta sotto l’ago. La distanza tra specchio e scala era di circa 4 metri, in tal modo ottenevano un valore di scala di 25.7"/div., inoltre poiché non era difficile stimarne la decima parte, apprezzavano i 2.57". Il tamburo di legno in corrispondenza dello specchio riporta un oblò chiuso da un vetro per la lettura. La staffa che sorregge l’ago inoltre riporta due incavature nelle quali andava posta un’asta di legno che sorreggeva dei pesi di 500 g ciascuno per la misura del momento di inerzia del sistema. Il filo di seta è lungo 2 metri ed era composto da un assemblaggio di fili semplici; particolare attenzione era data al suo alloggiamento all’interno del tubo e sulla vite superiore. La barra di Göttingen (n. inv. 1054) pesa 1750 g, mentre la staffa e lo specchio pesano 310 g. Oltre alla barra magnetica lo strumento era dotato di una barra di uguale dimensione di ottone, che serviva per cercare la posizione di torsione nulla. Completavano l’apparato due aste di legno su cui veniva posto il magnete deviatore (una volta tolto lo specchio e la staffa) per le operazioni di deviazione. Del magnetometro è rimasto il tamburo con il treppiede e la barra magnetica n. 4 con circolo di torsione, l’intelaiatura dello specchio e il cilindro in vetro che proteggeva il filo di sospensione. Il magnetometro è stato restaurato, nel corso del 1999, dai Sigg. Domenico Gellera e Nello Paolucci. Nel Museo Astronomico-Orto Botanico di Brera, accanto al magnetometro, è esposta la barra magnetica originaria che ha però perso il suo magnetismo. Il magnetometro, come sopra descritto, è in grado di fornire il valore della declinazione magnetica, la misura assoluta della componente H del campo magnetico terrestre e le loro variazioni. Poiché le misure richiedevano un lungo intervallo di tempo occorreva accompagnare lo strumento con un secondo magnetometro per seguire le variazioni. A Milano si utilizzavano due magnetometri di Gauss, uno realizzato dal meccanico di Gauss e l’altro realizzato dal meccanico milanese. Oggi è sopravvissuto soltanto lo strumento tedesco. Per la misura della declinazione si cerca la posizione del meridiano magnetico in un determinato istante, osservando le successive posizioni occupate dall’ago ad istanti di tempo predeterminati, in modo che il loro valore medio fornisca la posizione cercata. La posizione della barra viene letta tramite il teodolite, posto a distanza di 4 metri circa, che vede la scala riflessa dallo specchio. La differenza sul cerchio azimutale del teodolite tra meridiano geografico, determinato con il metodo delle uguali altezze del Sole, e magnetico, fornisce la declinazione magnetica. Il metodo della lettura dello specchio era stato introdotto nel 1826 da Johann Poggendorff (1796-1877), ma è Gauss che lo applicò per la prima volta al magnetometro. Per la misura della componente orizzontale si misura il periodo di oscillazione, poi si ripete la misura dopo aver posto dei pesi sulla barra ricavando, con il metodo dei minimi quadrati, sia il prodotto del momento magnetico dell’ago M e della componente H che il momento di inerzia del sistema oscillante. Quindi si pone la prima barra magnetica su una barra di legno posta perpendicolarmente al meridiano magnetico e con il suo asse passante per il punto di sospensione di un’altra barra sospesa al suo posto. Si misurano le deviazioni che la prima induce sulla seconda. Questa configurazione è nota come prima posizione di Gauss. La misura si effettua ponendo la barra deviatrice in quattro posizioni ottenute ribaltandola di 180° rispetto ad un asse verticale (inversione polo Nord con polo Sud) e ponendola in posizione simmetriche ed opposte rispetto al magnete sospeso. L’operazione è necessaria per tener conto delle eventuali asimmetrie nella magnetizzazione. È possibile una seconda configurazione detta seconda posizione di Gauss nella quale la barra deviatrice è posta alla stessa distanza ma con il suo centro sul meridiano magnetico e il suo asse a questo ortogonale. La misura è ottenuta spostando la barra deviatrice in quattro posizioni simili alle precedenti. La prima configurazione è quella più utilizzata, perché il campo dovuto al magnete deviatore è esattamente il doppio che nella seconda. Il metodo è noto come metodo di Gauss o delle tangenti, poiché in entrambe le configurazioni M/H è proporzionale alla tangente dell’angolo che l’ago deviato forma con il meridiano magnetico. Ottenuto, con questa operazione, il quoziente delle stesse quantità coinvolte nella prima si risolve il sistema in cui compare sia il prodotto MH che il quoziente da cui si ottiene il valore assoluto di H. Particolari indicazioni, descritte dallo stesso Gauss, vanno rispettate per determinare le costanti dello strumento, quali il coefficiente di torsione, il momento di inerzia, e per tener conto delle variazioni della temperatura. All’interno dell’Osservatorio di Milano furono eseguite esclusivamente misure di variazione mentre quelle assolute furono effettuate trasportando lo strumento all’aperto per evitare le influenze dell’edificio. Nel 1836-1839 queste furono eseguite nelle adiacenze del palazzo mentre le ultime, tra il 1858 e il 1864, furono effettuate in diverse località della città. Le determinazioni del meridiano geografico erano fatte con lo stesso teodolite di Reichenbach und Ertel, osservando le altezze corrispondenti del Sole.
Dimensioni strumento: Tamburo: diametro cm 98.5; altezza cm 330; ago: lunghezza: cm 60.9; larghezza: cm 3.8; spessore cm 0.9; peso g 1.750.
Riferimenti: M. BASSO RICCI, P. TUCCI, Gauss’s Magnetometer at Brera Astronomical Observatory in “Proceedings of the Eleventh International Scientific Instrument Symposium”, pp. 9-14, Bologna University, Italy, September 1991; G. DRAGONI, A. MCCONNELL, G. L’ESTRANGE TURNER (eds.), pp. 221-226, Grafis Edizioni, Bologna 1994; C. BUZZETTI, Determinazioni dei valori assoluti degli elementi del magnetismo terrestre fatte in Milano nell’anno 1863 in “Effemeridi Astronomiche di Milano per l’Anno 1865”, 1864, pp. 69-113; P. FRISIANI, Annotazioni in “Primo Supplemento alle Effemeridi Astronomiche di Milano per l’Anno 1836”, 1837, pp. 58-112; K.F. GAUSS, Intensitas Vis Magneticæ Terrestris ad Mensuram Absolutam Revocata, 1833; K.F. GAUSS, Die Intensität der erdmagnetischen Kraft, zurückeführt auf absolutes Maas in “Annalen der Physik und Chemie”, 1833, 28, pp. 241-273, pp. 591-615; K.F. GAUSS, Misura assoluta della forza magnetica terrestre in “Primo Supplemento alle Effemeridi Astronomiche di Milano per l’Anno 1838”, 1837, pp. 1-57; K. KREIL, Descrizione degli apparati magnetici e dei metodi con cui si eseguiscono le osservazioni in “Primo Supplemento alle Effemeridi Astronomiche di Milano per l’Anno 1838”, 1837, pp. 133-197; K. KREIL, P. DELLA VEDOVA, Osservazioni sull’intensità e sulla direzione della forza magnetica istituite negli anni 1836, 1837, 1838 all’I.R. Osservatorio di Milano in “Secondo Supplemento alle Effemeridi Astronomiche di Milano per l’Anno 1839”, I-XII, 1839, pp. 1-268; E. MIOTTO, P. TUCCI, G. TAGLIAFERRI, La strumentazione nella Storia dell’Osservatorio Astronomico di Brera, pp. 55, 58-59, Università degli Studi di Milano, Ed. Unicopli, Milano 1990; M. RAJNA, Sulle variazioni diurne del magnetismo terrestre. Risultati di osservazioni fatte a Milano negli anni 1872 e 1877 calcolati e dedotti da Michele Rajna Terzo Astronomo dell’Osservatorio di Milano in “Pubblicazioni del Reale Osservatorio di Brera in Milano”, 1884, 26, pp. 13-60; G.V. SCHIAPARELLI, Note preliminari del Direttore dell’Osservatorio di Brera in “Pubblicazioni del Reale Osservatorio di Brera in Milano”, 1884, 26, pp. 3-12.