A2C - Salerno

I campi magnetici, o per essere più precisi i campi di induzione magnetica, vengono generati dalla presenza di cariche elettriche in movimento o da campi elettrici variabili nel tempo. Eppure sappiamo che esistono degli oggetti, le calamite, o magneti, che sono in grado di generare spontaneamente campi magnetici. Com'è possibile? Inoltre i campi magnetici possono propagarsi nella materia e un materiale immerso in un campo magnetico subisce un fenomeno detto "polarizzazione magnetica" che agisce a livello microscopico.

A seconda di come si comporterà il materiale polarizzato avremo materiali ferromagnetici, paramagnetici e diamagnetici. Tutta la materia che vediamo è composta da atomi, a loro volta formati da protoni, neutroni ed elettroni che in meccanica quantistica possiedono caratteristiche dette numeri quantici, fra cui il "numero di spin". Lo spin, letteralmente "rotazione", associa alle particelle subatomiche un campo magnetico. Tuttavia, a causa del Principio di esclusione di Pauli, particelle subatomiche identiche non possono occupare simultaneamente il medesimo stato quantico. Ad esempio, due elettroni che occupano il medesimo orbitale atomico dovranno necessariamente avere spin opposti. Spin opposti generano campi opposti, che si annullano a vicenda. In questo caso, a livello macroscopico il materiale non esibisce alcun comportamento magnetico. La maggior parte degli elementi chimici ha atomi in cui gli elettroni sono raggruppati in coppie all'interno di ciascun orbitale posseduto dall'atomo. In ciascuna di queste coppie gli elettroni hanno spin opposto, che si annulla a vicenda. Quindi a livello microscopico abbiamo dei dipoli magnetici, ma a livello macroscopico questo effetto è nullo. Esistono però degli elementi chimici i cui atomi hanno orbitali in cui ci sia un solo elettrone, invece che due. In questo caso, l'elettrone spaiato si comporta da dipolo che genera un campo magnetico che non sarà nullo.
Tutti i materiali magnetici hanno atomi in cui vi è almeno un elettrone spaiato: pertanto il campo magnetico generato da una calamita non è altro che la somma dei singoli campi generati dagli elettroni spaiati presenti in ciascun atomo della calamita. Materiali che presentano queste caratteristiche di questo tipo sono detti "magneti permanenti". Le calamite che conosciamo tutti sono fatti di un minerale detto magnetite, il più famoso dei magneti permanenti, che oltre ad essere il minerale ferroso con la più alta percentuale di ferro (72.5%) è anche quello che esibisce le più forti proprietà magnetiche fra quelli esistenti in natura. Si tratta anche del più antico materiale magnetico conosciuto all'uomo, dato che era noto già agli antichi Greci. Il suo nome deriva da Magnesia al Sipilo, antica città che si trovava non molto lontano dalla città di Smirne, in Turchia. È dalla magnetite che deriva il termine "Magnetismo". Abbiamo detto che la maggior parte dei materiali non esibisce comportamenti magnetici a livello macroscopico. Questo però cambia quando esponiamo un materiale qualsiasi ad un campo magnetico esterno.

Tutti i materiali, se esposti ad un campo esterno, rivelano proprietà magnetiche. Per capire perché torniamo agli elettroni negli orbitali: essi costituiscono dei microscopici dipoli magnetici che, esposti ad un campo esterno, si riorienteranno secondo le linee di flusso del campo. Questo fenomeno è detto polarizzazione magnetica ed è indotto nei materiali da campi esterni. Gli elettroni sono portatori di cariche negative, quindi il loro moto è assimilabile a quello di tante micro-correnti. In assenza di campi elettromagnetici esterni tali correnti sono ordinate in maniera casuale. L'applicazione di un campo di induzione magnetica esterno porta tali micro-correnti a polarizzarsi, cioè ad allinearsi secondo le linee del campo esterno.
Da un punto di vista macroscopico, la polarizzazione magnetica è descritta con il vettore M. In un qualunque punto del materiale, il campo di induzione magnetica B è dato dalla seguente relazione:

B = μ0 ( H + M )

Nel caso il mezzo materiale sia omogeneo e isotropo, i vettori B ed H sono fra loro paralleli e proporzionali:

B = μ H = μ0 μr H

dove

• μ è la permeabilità magnetica assoluta
• μr è la permeabilità relativa del materiale, una costante adimensionale tipica per ogni materiale.

Tenendo conto che μr = 1 + χm allora la relazione B = μH può essere anche riscritta come:

B = μ H = μ0 μr H = μ0 (1 + χm) H

ed anche

M = χm  H

La costante χm è detta suscettività magnetica ed un valore adimensionale che esprime la tendenza di un corpo a polarizzarsi in presenza di campi magnetici esterni.
Un materiale si dice paramagnetico quando i campi B e H sono paralleli e μr > 1 . Questi materiali si polarizzano in presenza di campi magnetici esterni e i loro atomi (o molecole) si orientano nella stessa direzione e verso del campo esterno, ed il materiale sarà attratto.
Un materiale si dice diamagnetico quando i campi B e H sono paralleli e μr < 1. Questi materiali si polarizzano in presenza di campi magnetici esterni e i loro atomi (o molecole) si orientano nella stessa direzione ma verso opposto campo esterno, ed il materiale risulterà respinto. In entrambi i casi la permeabilità magnetica del mezzo rimane costante e non è influenzata dal campo di induzione magnetica B.
Nel caso dei materiali ferromagnetici invece, la permeabilità del mezzo non è costante ed essa risulta influenzata dal campo B. In tali materiali, inoltre, B ed H non sono paralleli, ed hanno una proprietà molto particolare: in seguito all'esposizione a un campo esterno rimangono a lungo magnetizzati, diventando anch'essi dei magneti.
A seconda della natura dei materiali, essi possono essere:

• paramagnetici,
• diamagnetici
• ferromagnetici.

I materiali paramagnetici, come alluminio, calcio, ossigeno, tungsteno e molti altri sono quelli in cui i dipoli magnetici microscopici si orientano nella stessa direzione e verso del campo esterno, venendone debolmente attratti.
I materiali diaamagnetici, come rame, piombo e molti altri sono quelli in cui i dipoli magnetici microscopici si orientano nella stessa direzione ma verso opposto al campo esterno, venendone debolmente respinti.
Infine i materiali ferromagnetici, come la stessa magnetite, il ferro, il nichel, il cobalto e le loro leghe. Si tratta di materiali con un comportamento magnetico molto particolare: sottoposti ad un campo magnetico esterno si magnetizzano molto intensamente, al punto da mantenere a lungo la loro magnetizzazione anche dopo essere stati rimossi dal campo esterno e diventare essi stessi dei magneti, spesso addirittura permanenti. I materiali ferromagnetici sono molto più attratti da un campo magnetico esterno rispetto ai materiali ferromagnetici: infatti basta avvicinare una calamita ad un pezzo di ferro e a uno di alluminio per rendersi conto della differenza di forza attrattiva. Tuttavia, il comportamento dei materiali ferromagnetici non è sempre lo stesso e dipende dall'intensità del campo esterno applicato e dalla temperatura del materiale.

Chiudo con una frase di Albert Einstein:"L'elettricità ci ha mostrato che l'energia non conosce limiti, così come la potenza della mente umana".

Si ringrazia il Dott. Luigi Rescigno per il supporto scientifico.