Le proprietà magnetiche dei materiali
I materiali si dividono in tre categorie a seconda del loro comportamento quando sono sottoposti ad un
campo magnetico esterno:
1) Diamagneti (acqua, argento, rame..): sono debolmente respinti da un campo magnetico esterno;
2) Paramagneti (aria, alluminio, platino,..): sono debolmente attratti da un campo magnetico esterno;
3) Ferromagneti (ferro, nichel, cobalto, acciaio, magnetite,…): sono fortemente attratti da un campo
magnetico esterno.
Perché??
Intuizione di Ampere (prima metà dell’Ottocento): il comportamento magnetico dei materiali è
dovuto all’effetto di correnti elettriche microscopiche che fluiscono all’interno del materiale.
Non si aveva nessuna idea di come potessero generarsi queste correnti elettriche microscopiche…
Oggi sappiamo che tutti i materiali sono composti da atomi in cui circolano correnti elettriche elementari
dovute al moto degli elettroni intorno al loro nucleo.
Questi elettroni sono come delle spire di area (A) percorse da corrente (i), che hanno un momento
r
r
magnetico orbitale µ orb = iA (fig.1); gli elettroni inoltre possiedono un momento magnetico associato al
loro spin, che è una grandezza quantistica intrinseca, associata in fisica classica alla rotazione degli
elettroni su sé stessi (fig.2)
Figura 1
Figura 2
La somma vettoriale dei momenti magnetici elettronici orbitali e di spin dà origine al momento
r
magnetico dell’atomo ( µ atomo ), che può essere uguale a zero (diamagneti) oppure diversi da zero
(paramagneti e ferromagneti).
r
1) Diamagneti ( µ atomo = 0 ): il campo esterno ( B0 ) interagisce con gli elettroni in moto mediante la forza
r
di Lorentz, perturbando le loro orbite e inducendo un campo magnetico nel materiale ( Bm ) di verso
r
opposto a B0 e di debole intensità (Bm << B0).
Per definire la risposta di un materiale ad un campo magnetico esterno si introduce la permeabilità
magnetica relativa (µ
µr) definita dalla relazione seguente:
r
r
B = µ r B0
r r
r
Nei diamagneti Bm << B0, quindi il campo magnetico totale B = B0 + Bm ha un modulo B poco minore di
Bo, perciò la permeabilità magnetica relativa è poco minore di 1 (µr = 0,99999 per il rame).
2) Paramagneti ( µ atomo ≠ 0 ): i momenti magnetici atomici sono orientati casualmente in assenza di un
campo magnetico esterno a causa del moto disordinato di agitazione termica, per cui non generano alcun
campo magnetico nel materiale (fig.3). Quando viene applicato un campo magnetico esterno, questo
r r
r
esercita sui momenti magnetici atomici un momento torcente ( M = µ atomo × B0 ) che tende ad allinearli col
campo, come mostrato in fig. 4 (a differenza della figura va precisato che l’allineamento è parziale in
quanto è ostacolato dal moto di agitazione termica ). I campi prodotti dalle correnti microscopiche si
annullano nel volume interno del materiale perché circolano in versi opposti, ma non sulla superficie dove
hanno verso concorde: l’insieme di queste correnti elementari è equivalente a una corrente macroscopica
r
che circola sulla superficie (fig. 5) e genera un campo magnetico nel materiale ( Bm ) di verso concorde
r
con B0 e di debole intensità (Bm << B0).
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Il campo indotto dall’effetto diamagnetico è presente, ma è molto più debole e quindi nei paramagneti il
r r
r
campo magnetico totale B = B0 + Bm ha un modulo B poco maggiore di Bo, perciò la permeabilità
magnetica relativa è poco maggiore di 1 (µr = 1,000021 per l’alluminio).
3) Ferromagneti ( µ atomo ≠ 0 ): i momenti magnetici atomici vicini interagiscono dando luogo a delle zone
magnetizzate di dimensioni macroscopiche (di circa 0,01-0,1 mm), in cui i momenti atomici sono tutti
allineati: i domini di Weiss (fig. 6).
Il momento magnetico complessivo di ogni dominio è molto elevato in confronto a quello di un singolo
atomo, tuttavia il materiale non ha alcun campo magnetico perché i momenti dei domini sono orientati
casualmente, in assenza di un campo esterno (fig.7).
B0
Figura 6
Figura 7 (B0 = 0)
Figura 8 (B0 ≠ 0)
r
Quando viene applicato al materiale un campo esterno B0 i domini con momento magnetico concorde
r
r
con B0 si allargano a spese degli altri (fig. 8), inducendo un campo magnetico nel materiale ( Bm ) di
r
verso concorde con B0 e di intensità crescente all’aumentare di B0 (per campi esterni sufficientemente
grandi si può raggiungere un allineamento totale, cioè la saturazione del materiale).
Nei ferromagneti Bm >> B0 (l’effetto diamagnetico è completamente mascherato) quindi il campo
r r
r
magnetico totale B = B0 + Bm può raggiungere valori da 103 (ferro) fino a 106 volte più grandi di B0.
I materiali ferromagnetici inoltre hanno la peculiarità di mantenere una magnetizzazione residua anche
quando il campo esterno viene rimosso, perché rimane un parziale allineamento dei domini di Weiss.
La magnetizzazione residua scompare se il materiale viene portato ad una temperatura maggiore di una
certa temperatura caratteristica, detta temperatura di Curie (Tc) , in cui viene distrutto l’ordine
ferromagnetico e il materiale diviene paramagnetico (Tc = 358 °C per il nichel; Tc = 770 °C per il ferro).
Nei diamagneti e nei paramagneti, invece, quando il campo esterno viene rimosso il campo indotto si
annulla completamente.
