Le proprietà magnetiche dei materiali

L’ipotesi di Ampère

Sostanze ferromagnetiche e paramagnetiche

• Per molti atomi gli effetti di tutti i moti (orbitali o di spin) degli elettroni si cancellano vicendevolmente così che essi non hanno un momento magnetico proprio.

• Nelle sostanze paramagnetiche e ferromagnetiche questi effetti non si annullano, così che ogni atomo o molecola 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.

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.

Sostanze ferromagnetiche

• 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.

• 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%).

Sostanze paramagnetiche

La temperatura di Curie

• 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 ferromagnetica a quella paramagnetica.

• Per il ferro la temperatura di Curie vale 1043 K.

Sostanze diamagnetiche

• 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.

• Le sostanze che hanno comportamento diamagnetico sono l' acqua la maggior parte delle sostanze organiche (DNA, oli, plastiche) e alcuni metalli come il mercurio, l'oro, il rame, l'argento, il bismuto.

Levitazione diamagnetica

Levitazione diamagnetica

Levitazione diamagnetica

Applicazioni: supporti magnetici

• Alla base del funzionamento dei supporti magnetici c'è il fatto che gli elettroni possiedono un minuscolo momento magnetico, lo spin.

• Se si magnetizzano in modo opposto, in su o in giù, aree diverse e ben definite di un dato supporto magnetico (domini magnetici), è possibile codificare l'informazione in modo binario: le due orientazioni corrispondono ai bit 0 e 1

• Le moderne testine sono basate su nanostrutture costituite da film sovrapposti di alcune centinaia di nm e sono in grado di leggere domini di 30 x 200 nm2. La loro distanza dalla superficie del disco, che gira a 15000 giri al minuto, ( pari a una velocità lineare di 100 km/h) è di 10 nm.

Due curiosità• Levitron

Due curiosità• Maglev

• Un treno a levitazione magnetica o MagLev è un tipo di treno che viaggia senza toccare le rotaie grazie alla levitazione magnetica.

• La repulsione e l'attrazione magnetica vengono utilizzate anche come mezzo di locomozione. Dato che il convoglio non tocca le rotaie, l'unica forza che si oppone al suo moto è l'attrito dell'aria. Il MagLev è quindi in grado di viaggiare a velocità elevatissime (fino a 581 km/h) con un consumo di energia limitato e un livello di rumore accettabile. Sebbene la velocità del MagLev gli consenta di fare concorrenza all'aereo anche nei lunghi percorsi, i costi per la realizzazione delle infrastrutturene hanno limitato finora l'utilizzo a brevi tratte molto frequentate. A Shanghai un MagLev collega la città con l'aeroporto. La linea è lunga 30 chilometri e viene percorsa dal treno in 7 minuti e 20 secondi con una velocità massima di 501,5 km/h e una velocità media di 250 km/h

• (Wikipedia)