Materiali diamagnetici paramagnetici ferromagnetici

Iniziamo lo studio del campo magnetico all’interno della materia. Rispetto al magnetismo i corpi vengono divisi in materiali diamagnetici paramagnetici ferromagnetici. Per capirne le differenze dobbiamo vedere cosa succede a livello atomico all’interno della materia.

La materia è composta di atomi. Gli atomi hanno un un momento magnetico proprio dovuto

al moto degli elettroni attorno al nucleo
al momento magnetico intrinseco alle particelle che costituiscono l’atomo (elettroni, protoni, neutroni)

Il momento magnetico, dovuto al moto degli elettroni, deriva dal fatto che essi sono cariche in movimento. Un elettrone che ruota intorno al proprio nucleo si comporta come una piccolissima spira percorsa da corrente.

Indicando con T il periodo di rotazione dell’elettrone, la corrente nella micro spira sarà

$\displaystyle{\mathbf{i=\frac{e}{T}}}$

Se S è la sezione della spira, il suo momento magnetico è

$\displaystyle{\mathbf{m=i\, S=\frac{e}{T}\, S}}$

Secondo la meccanica quantistica, questo momento orbitale, può assumere solo valori che sono multipli di un valore minimo

$\displaystyle{\mathbf{m_0=9,27\times 10^{-24}\, \frac{J\, m^2}{Wb}}}$

che è il momento magnetico orbitale che corrisponde alla prima orbita di Bohr, il cui raggio è

$\displaystyle{\mathbf{r_0=0,53\times 10^{10}m}}$ .

$\displaystyle{\mathbf{m_0=\frac{e}{T}\, \pi r_0^2}}$

Il momento magnetico intrinseco, invece, nasce dal moto di rotazione che ogni particella ha attorno al proprio asse. Una particella possiede un momento angolare (SPIN) al quale è associato un momento magnetico.

Il momento magnetico di un atomo è la somma (vettoriale) dei momenti magnetici orbitali e di quelli di Spin di tutte le sue particelle.

Dato che i momenti del protone e del neutrone risultano piccoli rispetto a quello dell’elettrone, possiamo trascurarli e dire che :

Il momento magnetico di un atomo è la somma dei momenti orbitali e di Spin degli elettroni che lo compongono.

Abbiamo affermato che anche il neutrone, particella neutra, possiede un momento magnetico. E’ vero che globalmente risulta elettricamente neutro, ma non è una particella elementare. Esso si compone di tre quark di cui due down e uno up, le cui cariche sono, rispettivamente, -1/3 e e +2/3 e (e è la carica dell’elettrone) e la sua carica complessiva

$\displaystyle{\mathbf{-\frac{1}{3}\, e-\frac{1}{3}\, e +\frac{2}{3}\, e=0}}$

risulta nulla. Sono i momenti magnetici di questi quark che danno quello del neutrone.

Quando mettiamo un corpo in un campo magnetico, esso risponde in maniera molto diversa a seconda che si tratti di un materiale diamagnetico paramagnetico ferromagnetico.

Per prima cosa c’è da dire che qualunque sostanza, immersa in un campo magnetico, subisce una deformazione delle micro spire percorse dagli elettroni. Questo effetto è detto polarizzazione per deformazione o precessione di Larmor.

La precessione di Larmor provoca, negli atomi, un debole momento magnetico che si oppone a quello esterno. E’ un effetto molto piccolo e si nota soltanto nei materiali diamagnetici.

I materiali diamagnetici non hanno elettroni spaiati. Gli atomi di queste sostanze hanno uno stesso numero di elettroni che ruotano nei due versi opposti e il momento magnetico totale è nullo per compensazione.

Gli orbitali delle sostanze diamagnetiche sono pieni.

Non ci sono elettroni spaiati.

Queste sostanze risentono l’effetto di un campo magnetico esterno soltanto per precessione di Larmor e vengono, quindi, debolmente respinti.

Quando il campo magnetico esterno viene tolto, questi materiali perdono la loro magnetizzazione.

Esempi di materiali diamagnetici sono Cu , Ag , Zn , Sn

I materiali paramagnetici hanno un momento magnetico diverso da zero. Essi hanno elettroni spaiati.

Questo è il caso di orbitali incompleti.

Sono presenti elettroni spaiati.

Tutti i momenti degli atomi sono però orientati a caso e il campo magnetico risultante è nullo. Un campo magnetico esterno tende ad orientare questi momenti nella stessa direzione.

L’allineamento, che è ostacolato dall’agitazione termica, risulta parziale. Comunque è presente una magnetizzazione nel verso del campo esterno.

I materiali paramagnetici risentono l’azione di un campo magnetico esterno magnetizzandosi in direzione del campo esterno dal quale ne sono debolmente attratti.

Se il campo esterno viene tolto perdono la loro magnetizzazione.

Esempi di sostanze paramagnetiche Al , O2 , Pt , Ti

I materiali ferromagnetici , come i paramagnetici, hanno un momento magnetico proprio. Essi vengono descritti come formati da tanti piccoli elementi detti domini ferromagnetici (domini di Weiss). Ogni dominio ha un suo momento magnetico orientato a caso. Il campo magnetico risultante di tutti questi domini risulta nullo.

Se esso viene posto in un campo magnetico esterno, i domini che hanno la direzione e il verso di questo si allargano restringendo quelli che hanno un orientamento diverso. Tutto questo fino a diventare un unico dominio con momento magnetico allineato con quello esterno. A questo punto il materiale è in saturazione.

In questi materiali il campo esterno viene esaltato anche di molto.

Togliendo il campo esterno in essi rimane una magnetizzazione residua.

Esempi di materiali ferromagnetici Fe, Co , Ni

Approfondiamo l’argomento nella prossima lezione Campo magnetico nella materia.