Diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo

Diagramma per distinguere tra ferro/para/diamagnetismo

Il seguente diagramma può essere utilizzato per determinare rapidamente se un materiale è ferromagnetico, paramagnetico o diamagnetico.

Diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo: forme di magnetizzazione

Se un materiale è esposto a un campo magnetico esterno, si magnetizza. La direzione e la forza di questa magnetizzazione si basano sulle proprietà intrinseche del materiale e sono caratterizzate dai termini diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo. Sono noti altri tipi di magnetismo (ad esempio, il ferrimagnetismo), ma non saranno discussi in dettaglio in questa sede.

La magnetizzazione della materia in un campo esterno, cioè l'orientamento dei magneti elementari nel materiale, può essere in direzione opposta al campo magnetico esterno o nella stessa direzione. Se la magnetizzazione è in direzione opposta al campo esterno, si parla di diamagnetismo. Nei corpi paramagnetici, la magnetizzazione è allineata con il campo magnetico esterno. Nei materiali ferromagnetici, la magnetizzazione è allineata con il campo magnetico esterno ed è particolarmente forte a causa di una speciale interazione tra gli spin degli elettroni, la cosiddetta interazione di scambio. La magnetizzazione dei materiali ferromagnetici con lo stesso campo magnetico esterno è in genere significativamente maggiore di quella dei materiali paramagnetici. A temperatura ambiente, tuttavia, solo gli elementi ferro, nichel e cobalto sono ferromagnetici. Esistono anche leghe e composti ferromagnetici, nonché elementi che diventano ferromagnetici a basse temperature. A temperature molto elevate, tutti i materiali ferromagnetici diventano paramagnetici perché l'energia termica degli elettroni è superiore all'interazione di scambio e l'allineamento parallelo degli spin degli elettroni viene distrutto. Esiste una temperatura caratteristica per questa transizione, la cosiddetta temperatura di Curie.

La magnetizzazione dei materiali ferromagnetici viene parzialmente mantenuta quando il campo magnetico esterno viene spento. Questa magnetizzazione residua viene definita rimanenza.

Osservare i fenomeni di diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo

A differenza del diamagnetismo e del paramagnetismo, il ferromagnetismo è facile da osservare nella vita quotidiana. I materiali ferromagnetici sono notevolmente attratti dai campi magnetici. Per esempio, un magnete si attacca a una parete di ferro, che è ferromagnetica, ma non a una parete di plastica, che di solito è diamagnetica.

L'interazione tra campi magnetici e materiali paramagnetici o diamagnetici è molto debole, quindi non è direttamente osservabile nella vita quotidiana.

Un paramagnete (ad esempio l'ossigeno) è attratto da un campo magnetico allo stesso modo di un ferromagnete (ad esempio il ferro). Tuttavia, la forza d'attrazione è diversi milioni di volte più debole. Un diamagnete (ad esempio l'acqua), invece, viene respinto quando viene introdotto nel campo magnetico, anche se in modo quasi impercettibile. La forza repulsiva tra campi magnetici e materiali diamagnetici è forte solo nei superconduttori. I superconduttori sono quindi noti anche come "diamagneti perfetti". Essi presentano una magnetizzazione che sposta completamente la densità di flusso magnetico all'interno del superconduttore. Il superconduttore fluttua addirittura sopra un magnete a causa dell'effetto diamagnetico repulsivo.

La permeabilità magnetica per descrivere la forza di magnetizzazione

La permeabilità magnetica μ viene introdotta per descrivere la forza di magnetizzazione. In termini semplificati, la permeabilità μ indica il fattore con cui la densità di flusso magnetico aumenta o diminuisce per effetto del materiale. Ad esempio, la densità di flusso magnetico B in presenza di un materiale con permeabilità μ è in relazione con la densità di flusso magnetico del vuoto B₀:

B = μ • B₀

Il campo magnetico, a sua volta, è la somma del campo magnetico esterno incidente H₀ (che sarebbe presente anche nel vuoto) e della magnetizzazione M: H = H₀ + M

Questo campo magnetico in presenza della sostanza si ottiene anche moltiplicando il campo nel vuoto per la permeabilità μ: H= μ • H₀

Ciò vale per la magnetizzazione:

M = H - H₀ = μ • H₀ - H₀ = (μ - 1) • H₀

La magnetizzazione M di una sostanza in un campo magnetico incidente (nel vuoto) H₀ è quindi:

M = (μ - 1) • H₀

Il fattore (μ - 1) è noto anche come suscettibilità magnetica χ e ne consegue: M = χ • H₀

La permeabilità del vuoto è μ = 1, il che significa che il vuoto non reagisce affatto a un campo magnetico. La magnetizzazione M del vuoto è nulla. Allo stesso modo la sua suscettibilità magnetica χ. Le sostanze paramagnetiche hanno una permeabilità leggermente superiore a 1. La suscettibilità magnetica dei paramagneti è leggermente superiore a zero. La permeabilità dei materiali diamagnetici è leggermente inferiore a 1 e la suscettibilità è corrispondentemente inferiore a zero. In un superconduttore, la permeabilità magnetica è μ = 0 e la suscettibilità χ = -1. Ciò significa che il flusso magnetico non penetra più nel superconduttore. Si può anche immaginare che la magnetizzazione dei superconduttori sia uguale al campo esterno incidente, solo in direzione opposta. Il campo esterno viene quindi compensato nel superconduttore. I ferromagneti possono avere numeri di permeabilità molto elevati. Con il ferro, μ può raggiungere valori fino a 10 000; metalli ferromagnetici speciali con una disposizione degli atomi appositamente creata possono raggiungere valori fino a μ = 150 000.

Tuttavia, l'ipotesi che la permeabilità sia semplicemente una costante per ogni sostanza è solo un'approssimazione. Lo si può vedere dalla curva di isteresi. In realtà, la magnetizzazione del materiale non segue linearmente il campo magnetico incidente (o la densità di flusso incidente). La relazione è più complicata e dipende anche dalla "storia precedente" del materiale. Se il materiale è già magnetizzato, si comporta in modo diverso nel campo esterno rispetto allo stesso materiale non magnetizzato. La formula lineare M = χ • H₀ è quindi un'approssimazione.

Considerazione fisica

Per comprendere la causa fisica del diamagnetismo, del paramagnetismo e del ferromagnetismo, si può immaginare che ogni sostanza sia costituita da atomi con nuclei atomici ed elettroni.

Se ora viene applicato un campo magnetico esterno, sotto l'influenza di questo campo magnetico vengono indotti movimenti degli elettroni, cioè correnti. Secondo la legge di Lenz, queste correnti sono dirette in modo tale da contrastare la loro causa. Pertanto, i momenti magnetici indotti, detti anche polarizzazione magnetica indotta, sono diretti in modo tale che il materiale nel suo complesso sia debolmente spinto fuori dal campo magnetico esterno, cioè mostri proprietà diamagnetiche.

Ogni sostanza è un po' diamagnetica. Tuttavia, è possibile che al diamagnetismo di una sostanza si sovrappongano ulteriori proprietà paramagnetiche o addirittura ferromagnetiche. Il paramagnetismo o ferromagnetismo si verifica proprio quando gli elettroni dell'intero guscio elettronico di ogni atomo della sostanza hanno uno spin totale risultante. I singoli elettroni hanno sempre un cosiddetto "spin", che porta con sé un momento magnetico. In molti materiali, tuttavia, gli spin degli elettroni si annullano a coppie. Questi materiali sono quindi diamagnetici. Tuttavia, se ogni atomo ha un numero dispari di elettroni, gli spin degli elettroni in ogni singolo atomo non possono annullarsi a coppie. Allora ogni atomo con i suoi elettroni ha uno spin totale risultante dell'ultimo elettrone "non accoppiato" rimasto. Questi materiali sono para- o ferromagnetici.

I momenti magnetici atomici degli spin risultanti sono distribuiti uniformemente in tutte le direzioni spaziali a causa del movimento degli atomi, in modo che i campi magnetici di tutti i magneti elementari si compensino a vicenda e il materiale appaia non magnetico all'esterno.

Tuttavia, gli spin totali risultanti di tutti gli atomi sono allineati in un campo magnetico esterno. Il polo nord di tutti i magneti elementari punta quindi nella direzione del polo sud del campo esterno e viceversa. In questo caso, il campione stesso si comporta come un magnete ed è attratto dal campo magnetico esterno. Le correnti circolari indotte simultaneamente, che sono dirette nella direzione opposta alla loro causa (il campo magnetico esterno) a causa della legge di Lenz, sono più deboli nei materiali paramagnetici e ferromagnetici rispetto all'effetto dei magneti elementari allineati, in modo che l'effetto repulsivo delle correnti circolari indotte sia superato dall'effetto attrattivo dei magneti elementari allineati. Questa è la causa del para- e del ferromagnetismo.

In un ferromagnete, gli spin degli elettroni sono stabilizzati dall'interazione di scambio. L'interazione di scambio è particolarmente forte nei ferromagneti. Ogni magnete elementare è quindi ulteriormente stabilizzato nella sua orientazione. Questo porta a un effetto di attrazione spesso milioni di volte più forte. Il materiale rimane quindi sensibilmente magnetico nel suo complesso anche quando il campo magnetico esterno viene spento (rimanenza). Nei paramagneti, l'interazione di scambio è inferiore all'energia termica degli spin atomici.

Smagnetizzazione per effetto del calore

Se il ferromagnete magnetizzato viene riscaldato a una temperatura elevata (superiore alla temperatura di Curie), il ferromagnetismo scompare perché l'aumento di temperatura porta a un movimento più forte degli atomi con i singoli spin totali risultanti del guscio di elettroni. Questo movimento distrugge l'accoppiamento reciproco degli spin degli elettroni attraverso l'interazione di scambio, perché l'energia termica fornita supera l'energia di accoppiamento degli spin degli elettroni. Il corpo diventa quindi un paramagnete al di sopra della temperatura di Curie. Anche forti vibrazioni o un campo esterno opposto possono annullare la rimanenza di un ferromagnete, cioè portare alla smagnetizzazione. Tuttavia, il materiale rimane ferromagnetico e può essere nuovamente magnetizzato. Anche un materiale riscaldato diventa nuovamente ferromagnetico quando si raffredda al di sotto della temperatura di Curie.