ProprietÀ magnetiche dei materiali

PROPRIETÀ MAGNETICHE DEI MATERIALI 

Esistono diverse classificazioni dei materiali in base alle loro proprietà magnetiche. La classificazione che distingue le sostanze in diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche è basata sulle diverse reazioni dei materiali sottoposti all'azione di un campo magnetico esterno e a come la suscettibilità magnetica xm, numericamente legata a μr (permeabilità magnetica relativa), varia nei diversi materiali.

Diamagnetismo  

Quando una sostanza diamagnetica viene posta all'interno di un campo magnetico, reagisce generando al proprio interno un piccolo momento magnetico diretto in verso opposto a quello del campo esterno. Questo fenomeno è la conseguenza macroscopica dell'induzione, all'interno del materiale, di correnti elettriche atomiche, i cui singoli momenti magnetici hanno verso contrario al campo applicato. In esse la permeabilità magnetica è indipendente dal campo e dalla temperatura e presenta un valore lievemente inferiore all'unità. Da questo segue che la suscettibilità magnetica è compresa tra 10-5 e 10-6. Sono molte le sostanze diamagnetiche: le più tipiche sono il bismuto metallico, l'argento, il rame, l'acqua e alcune molecole organiche come il benzene, la cui struttura ciclica favorisce l'instaurarsi di correnti indotte.

Paramagnetismo

Il comportamento paramagnetico riguarda materiali i cui atomi e molecole sono per loro natura dotati di momento magnetico proprio. In presenza di un campo magnetico esterno, i singoli momenti magnetici atomici tendono ad allinearsi lungo la direzione del campo applicato, rinforzandolo. I materiali paramagnetici contengono solitamente metalli di transizione o elementi delle terre rare, i cui atomi sono caratterizzati dalla presenza di elettroni spaiati. I fenomeni paramagnetici nei non-metalli dipendono generalmente dalla temperatura: in particolare, l'intensità del momento magnetico indotto è inversamente proporzionale alla temperatura. Ad alte temperature infatti l'allineamento dei momenti magnetici atomici della sostanza lungo la direzione del campo magnetico è ostacolato dal moto vibrazionale di agitazione termica degli atomi stessi. Per queste sostanze, come il platino, l'aria, l'alluminio, μr è leggermente superiore dell'unità, mentre Xm risulta compresa tra 10-4 e 10-5.

Ferromagnetismo

Una sostanza si dice ferromagnetica se è capace di conservare un momento magnetico anche quando il campo magnetizzante è stato rimosso. Questo effetto è il risultato di una forte interazione tra i momenti magnetici dei singoli atomi o elettroni della sostanza, che li pone in una condizione di allineamento. In una situazione ordinaria, i materiali ferromagnetici sono divisi in piccole aree chiamate domini, all'interno dei quali i momenti magnetici sono allineati in un'unica direzione. Quando si applica un campo magnetico esterno, i domini, che normalmente hanno un'orientazione casuale, si allineano in direzione del campo, determinando la magnetizzazione del materiale. L'energia che è richiesta per smagnetizzare il materiale si manifesta in un ritardo nella risposta, detto isteresi. Al di sopra della cosiddetta temperatura di Curie, così chiamata in onore del fisico francese Pierre Curie che studiò il fenomeno nel 1895, i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà. Per il ferro metallico la temperatura di Curie è di circa 770 °C. Questi materiali, come il ferro, il nichel e il cobalto, quindi, μr  dipende sia dalla temperatura che dal campo e puo raggiungere valori comprei tra 103 e 105.

Altre caratteristiche magnetiche

In seguito alla comprensione dell'origine atomica delle proprietà magnetiche, sono state osservate nuove famiglie di materiali, caratterizzati da proprietà magnetiche meno evidenti e di natura più complessa. Si conoscono sostanze per le quali risulta energeticamente favorevole che i momenti magnetici siano allineati in modo antiparallelo: sono le cosiddette sostanze antiferromagnetiche. Al di sopra della temperatura di Néel, l'equivalente della temperatura di Curie, le proprietà antiferromagnetiche scompaiono. Nelle sostanze cosiddette ferrimagnetiche, invece, esistono a livello atomico almeno due tipi diversi di momento magnetico, antiparallelo uno all'altro. Questi momenti sono di intensità diversa e quindi creano un momento magnetico totale netto: ciò distingue questi materiali da quelli antiferromagnetici, che posseggono invece momento magnetico totale nullo. Secondo questa classificazione, la magnetite risulta un ferrimagnete, e non un ferromagnete; sono infatti presenti nel materiale due tipi diversi di ione ferro, ciascuno con un momento magnetico diverso. L'isteresi è caratteristica di sostanze sia ferromagnetiche che ferrimagnetiche: i materiali che mostrano poca isteresi sono chiamati materiali magnetici 'dolci', e sono generalmente utilizzati per realizzare strumenti con correnti alternate, in modo da limitare il consumo di energia a ciascun ciclo; i materiali che presentano una forte isteresi sono detti 'duri', e sono impiegati per realizzare magneti permanenti. Sono state osservate anche strutture atomiche più complesse, in cui i momenti magnetici sono disposti a spirale: studi di questi sistemi hanno fornito importanti informazioni sulle interazioni tra momenti magnetici nei solidi.

APPLICAZIONI

Negli ultimi cento anni il magnetismo ha trovato numerose applicazioni. L'elettrocalamita, ad esempio, è la base del motore elettrico e del trasformatore. In tempi più recenti, inoltre, lo sviluppo di nuovi materiali magnetici è stato importante per la rivoluzione prodotta nel campo dei sistemi per computer. La memoria dei computer, ad esempio, può essere fabbricata mediante domini a bolla: questi domini sono piccole regioni che presentano una magnetizzazione parallela o antiparallela rispetto alla magnetizzazione dell'intero materiale. A seconda della direzione di magnetizzazione, ciascuna bolla rappresenta un 1 o uno 0 nel sistema di codifica binario utilizzato nei computer. I materiali magnetici sono anche impiegati nella fabbricazione di nastri e dischi per la registrazione di dati. In molte tecnologie moderne sono utilizzati grossi e potenti magneti. I treni a levitazione magnetica scorrono sulle rotaie per mezzo di forti magneti, evitando così il contatto e l'attrito tra ruote e rotaie dei treni convenzionali. Anche nella risonanza magnetica nucleare, un importante strumento diagnostico utilizzato in medicina, si usano forti campi magnetici. Inoltre, negli attuali acceleratori di particelle si usano magneti superconduttori per mantenere i fasci ben focalizzati e farli viaggiare su orbite predefinite.

I treni a levitazione magnetica, che fluttuano senza contatto sulle rotaie sfruttando la forza elettromagnetica delle calamite, sono più rapidi, silenziosi ed efficienti dei treni convenzionali. I paesi all'avanguardia nel campo di questo sistema di trasporto alternativo, che ancora non risulta praticabile per le merci, sono la Germania, il Giappone e gli Stati Uniti.