Campi magnetici: Legge di Ampère

Proprietà magnetiche della materia

All'interno di una bobina percorsa da corrente si crea un campo magnetico abbastanza uniforme. Se nella bobina viene inserito un nucleo di ferro che poi viene sostituito da uno di alluminio, succede che il campo magnetico ..

si rafforza notevolmente in entrambi i casi
si indebolisce notevolmente in entrambi i casi
si rafforza notevolmente solo con il ferro
si rafforza notevolmente solo con l'alluminio
rimane quasi invariato in entrambi i casi

Paramagnetismo e Ferromagnetismo

Come abbiamo visto, solo alcune particolari sostanze note come ferromagnetiche sono molto sensibili ai campi magnetici: esse sono il ferro, il cobalto, il nichel e le leghe da essi formate.

Il campo magnetico all'interno di una bobina dipende dalla permeabilità del mezzo. I materiali ferromagnetici sono caratterizzati da una permeabilità magnetica molto maggiore di quella del vuoto. Un nucleo di materiale ferromagnetico in una bobina percorsa da corrente produce quindi un campo magnetico di intensità molto elevata.
Un tale dispositivo è detto elettromagnete.

Alcuni materiali, come il ferro, si smagnetizzano non appena la corrente cessa, altri, come l'acciaio (lega di ferro e carbonio), mantengono una magnetizzazione residua.

Il ferromagnetismo può essere inquadrato come un caso speciale ed evidente del più generale fenomeno di paramagnetismo che riguarda la capacità di molte sostanze di rafforzare, sia pure più debolmente, i campi magnetici.
Alcune sostanze paramagnetiche sono l'aria, l'alluminio, il platino, l'ossigeno, il cerio. Esse hanno una permeabilità pochissimo superiore a quella del vuoto.
Con un nucleo di alluminio, pertanto, il campo magnetico non subisce modificazioni apprezzabili rispetto a quello che si forma nel vuoto.

Per capire meglio questi fenomeni, dobbiamo ricondurci alla struttura atomica e molecolare della materia.

Per molti atomi o ioni gli effetti di tutti i moti (orbitali o di spin) degli elettroni si cancellano vicendevolmente così che essi non hanno un momento magnetico proprio. Per quanto riguarda le sostanze paramagnetiche (e ferromagnetiche) questi effetti non si annullano, così che ogni atomo o molecola di una sostanza para o ferromagnetica possiede un proprio momento di dipolo magnetico.

I momenti magnetici microscopici sono orientati casualmente nello spazio, e, in assenza di campo esterno, non producono alcun effetto macroscopico.

Se una sostanza paramagnetica è posta in un campo magnetico, i dipoli elementari tendono ad allinearsi con il campo, ostacolati però fortemente dal moto di agitazione termica. Ne consegue che solo una minoranza di dipoli elementari riesce ad allinearsi con il campo esterno, rafforzandolo molto debolmente (meno del 10%).

In pratica l'entità del fenomeno è così debole che non si hanno differenze sensibili tra il campo magnetico nel vuoto o in un mezzo paramagnetico (aria o altri).

Nel ferro e negli altri materiali ferromagnetici, esistono delle vaste zone (dell'ordine di 10-2 mm) dette domini di Weiss in cui i momenti magnetici microscopici sono orientati concordemente.

weiss (13K)

I domini si possono visualizzare spruzzando una sospensione di ossido di ferro su un cristallo di ferro opportunamente trattato.

Se il cristallo ferromagnetico è immerso in un campo magnetico esterno, i domini già orientati con il campo aumentano di dimensioni a spese dei loro vicini, mentre gli altri tendono comunque a ruotare per disporsi favorevolmente.
Questo porta ad un grande rafforzamento (fino a migliaia di volte) del campo esterno.

Quando cessa l'azione della corrente i domini orientati del ferro si riportano nella situazione caotica precedente (magnetismo temporaneo), mentre quelli dell'acciaio rimangono orientati permanentemente.

Un aumento di temperatura, causando disordine molecolare, diminuisce la tendenza alla magnetizzazione. Per ogni elemento ferromagnetico esiste una temperatura critica detta di Curie al di sopra della quale si ha il passaggio dalla fase ferro a quella paramagnetica. Per il ferro la temperatura di Curie vale 1 043 K, per la magnetite (magneti naturali) vale 858 K

Diamagnetismo

Nel 1846 Faraday scoprì che un campione di bismuto avvicinato ad un magnete veniva da esso debolmente respinto. Questo comportamento anomalo si verificava anche con argento, rame, mercurio e acqua. Faraday chiamò diamagnetiche tutte queste sostanze.

Le sostanze diamagnetiche hanno atomi e molecole prive di un momento proprio di dipolo magnetico in quanto gli effetti magnetici di tutti i moti degli elettroni si annullano.
In assenza di campi magnetici esterni, il momento magnetico risultante è zero.

Se si immerge il materiale in un campo esterno, esso produce, con la forza magnetica, una asimmetria nella velocità degli elettroni creando un debolissimo momento magnetico contrario al campo esterno che ne risulta leggermente indebolito.

A conclusione del discorso, si può dire che gli effetti macroscopici del paramagnetismo e del diamagnetismo sono praticamente trascurabili. Lo studio di queste sostanze permette però di avere importanti informazioni sulla struttura e sul comportamento della materia a livello microscopico.


Copyleft Ludovica Battista