PROPRIETÀ MAGNETICHE DELLA MATERIA
Esaminiamo alcune proprietà magnetiche dei materiali. Cominciamo con il riassumere alcune semplici osservazioni
sperimentali, che ci mostrano che esistono tre classi di materiali: a) i materiali ferromagnetici (Fé, Co, Ni, Gd etc.)
che hanno i comportamenti magnetici più vistosi: acquistano momento magnetico sotto l'azione del campo, ma
possono mantenerlo anche quando questa è cessata (magneti permanenti); b) i materiali paramagnetici, che sotto
l'azione del campo magnetico acquistano momento di dipolo (molto minore rispetto ai ferromagnetici) nella direzione e
nel verso del campo; c) i materiali diamagnetici che in un campo magnetico acquistano momento magnetico nella
direzione del campo e in verso opposto (minore rispetto ai paramagnetici).
Osservazioni elementari
I materiali ferromagnetici hanno, come ben noto, proprietà
magnetiche vistose ed evidenti. Anche i materiali non
ferromagnetici però godono di proprietà magnetiche. Per
osservarle è necessario disporre di intensi campi
magnetici. Supponiamo ad esempio di sospendere un
piccolo campione del materiale in studio ad un sottile filo
in modo da costruire un pendolino magnetico analogo al
pendolino elettrico. Se ora sospendiamo il pendolino
magnetico tra i poli di un potente elettromagnete, se il
campo è uniforme, per intenso che sia non si osserva alcun
effetto. Proviamo quindi a vedere cosa succede se il campo
non è uniforme. Per procurarcelo possiamo sagomare una
delle due espansioni polari a forma di punta; in questo caso il
campo B è più intenso in vicinanza della punta ed è fortemente non uniforme. In queste condizioni si osserva
l'azione di una forza sul campione in esame. Sperimentando con diversi materiali le osservazioni si possono
riassumere nelle seguenti conclusioni:
a) esiste una (debole) forza in presenza del campo che scompare spegnendo il magnete;
b) per un dato tipo di materiale non ferromagnetico la forza è proporzionale all'intensità del campo e al gradiente
del campo. La forza in particolare si annulla in un campo uniforme;
c) a parte le sostanze ferromagnetiche, esistono due tipi di sostanze: per quelle di un tipo, dette diamagnetiche la
forza è diretta nel verso in cui il modulo del campo decresce, per quelle dell'altro dette paramagnetiche nel verso del
modulo del campo crescente;
d) i materiali ferromagnetici si comportano come i paramagnetici per quanto riguarda il verso della forza, ma
l'intensità è enormemente più grande. Inoltre, l'intensità della forza non è proporzionale al campo e alla sua
variazione.
Per avere un'idea degli ordini di grandezza consideriamo la forza agente in un campo di intensità di 1 T e di gradiente
15 T/m su campioni di 1 g (il cui peso per confronto è, come si sa, di circa 10-2 N). Per le sostanze diamagnetiche
(acqua, rame, bismuto ecc.) la forza in queste condizioni e dell'ordine da 10-5 a 10-4 N, per le paramagnetiche (sodio,
alluminio, cloruro di sodio ecc.) dell'ordine da 10-4 a 10-2 N, per le ferromagnetiche dell'ordine del Newton. Una
prima conclusione che possiamo trarre dalle nostre osservazioni sperimentali è che le sostanze esaminate si
polarizzano in campo magnetico, che esse cioè acquistano un momento di dipolo magnetico. Ciò è del tutto
analogo a quanto osservato per i dielettrici: in questo caso, come in quello, il campo magnetico induce un momento
di dipolo tanto maggiore quanto più il campo è intenso (la relazione è lineare per i dia- e para- magnetici); la forza
osservata è poi, per un dato momento di dipolo indotto, proporzionale al gradiente del campo. Si spiega così la
necessità di avere un campo non uniforme. Ciò è analogo a quanto avviene per i dielettrici. A differenza che per i
dielettrici però, che vengono sempre attratti verso zone di campo più intenso, ora si può avere attrazione o repulsione. Ciò implica che il momento di dipolo può avere lo stesso verso (para-magnetismo) del campo inducente o
verso opposto dìa-magnetismo).
Cenni all’interpretazione microscopica dei fenomeni di magnetizzazione
I materiali paramagnetici sono costituiti da molecole che hanno ciascuna un momento di dipolo intrinseco, cioè anche
in assenza di campo magnetico esterno; normalmente le direzioni di questi dipoli elementari sono distribuite a caso
così che non si osserva nessun effetto macroscopico; un campo magnetico esterno tende ad orientare i momenti
elementari, in contrasto col moto di agitazione termica. Tutto ciò è del tutto analogo a quanto avviene per i dielettrici
polari. Il paramagnetismo in particolare dipende sensibilmente dalla temperatura.
Le molecole dei materiali diamagnetici sono invece prive di momento di dipolo intrinseco in analogia ai dielettrici non
polari. Il campo magnetico esterno, deformando il moto degli elettroni atomici, induce un momento magnetico ad esso
parallelo con verso che, essenzialmente per la legge di Lentz, è ad esso opposto.
Ancora in analogia al caso dei dielettrici (a parte il segno) anche in questo caso la polarizzazione per unità di volume
indotta da un dato campo magnetico a temperatura ordinaria è in genere maggiore quando questa avviene per
orientazione di dipoli preesistenti di quando avviene per deformazione delle molecole.
I ferromagneti costituiscono una classe a sé: se si immergono in un campo magnetico, che poi viene spento, parte
del momento di dipolo indotto permane in essi come "solidificato".
