FERROMAGNETISMO: MATERIALI, APPLICAZIONI ED ESEMPI - FISICO - 2024

Il ferromagnetismo è la proprietà che conferisce ad alcune sostanze una risposta magnetica intensa e permanente. In natura ci sono cinque elementi con questa proprietà: ferro, cobalto, nichel, gadolinio e disprosio, queste ultime terre rare.

In presenza di un campo magnetico esterno, come quello prodotto da un magnete naturale o da un elettromagnete, una sostanza risponde in modo caratteristico, secondo la sua configurazione interna. L'entità che quantifica questa risposta è la permeabilità magnetica.

Magneti che formano un ponte. Fonte: Pixabay

La permeabilità magnetica è una quantità adimensionale data dal quoziente tra l'intensità del campo magnetico generato all'interno del materiale e quella del campo magnetico applicato esternamente.

Quando questa risposta è molto maggiore di 1, il materiale è classificato come ferromagnetico. Se invece la permeabilità non è molto maggiore di 1, la risposta magnetica è considerata più debole, sono materiali paramagnetici.

Nel ferro la permeabilità magnetica è dell'ordine di 10 ⁴ . Ciò significa che il campo all'interno del ferro è circa 10.000 volte maggiore del campo applicato esternamente. Il che dà un'idea di quanto sia potente la risposta magnetica di questo minerale.

Come si origina la risposta magnetica all'interno delle sostanze?

Il magnetismo è noto per essere un effetto associato al movimento delle cariche elettriche. Questa è precisamente la corrente elettrica. Da dove vengono allora le proprietà magnetiche della barra magnetica con cui è stata incollata una nota sul frigorifero?

Il materiale del magnete, e anche qualsiasi altra sostanza, contiene al suo interno protoni ed elettroni, che hanno il proprio movimento e generano correnti elettriche in vari modi.

Un modello molto semplificato assume l'elettrone in un'orbita circolare attorno al nucleo costituito da protoni e neutroni, formando così un minuscolo anello di corrente. Ad ogni spira è associata una grandezza vettoriale chiamata "momento magnetico orbitale", la cui intensità è data dal prodotto della corrente per l'area determinata dall'anello: il magnetone di Bohr.

Naturalmente, in questo piccolo anello la corrente dipende dalla carica dell'elettrone. Poiché tutte le sostanze contengono elettroni al loro interno, tutte hanno in linea di principio la possibilità di esprimere proprietà magnetiche. Tuttavia, non tutti lo fanno.

Questo perché i suoi momenti magnetici non sono allineati, ma disposti casualmente all'interno, in modo tale che i suoi effetti magnetici macroscopici si annullano.

La storia non finisce qui. Il prodotto del momento magnetico del movimento degli elettroni attorno al nucleo non è l'unica possibile fonte di magnetismo su questa scala.

L'elettrone ha una sorta di movimento rotatorio attorno al suo asse. È un effetto che si traduce in un momento angolare intrinseco. Questa proprietà è chiamata spin dell'elettrone.

Naturalmente ha anche un momento magnetico associato ed è molto più forte del momento orbitale. Infatti, il maggior contributo al momento magnetico netto dell'atomo è attraverso lo spin, tuttavia entrambi i momenti magnetici: quello della traslazione più quello del momento angolare intrinseco, contribuiscono al momento magnetico totale dell'atomo.

Questi momenti magnetici sono quelli che tendono ad allinearsi in presenza di un campo magnetico esterno. E lo fanno anche con i campi creati da momenti vicini nel materiale.

Ora, gli elettroni di solito si accoppiano in atomi con molti elettroni. Si formano coppie tra elettroni con spin opposto, con conseguente annullamento del momento magnetico di spin.

L'unico modo in cui lo spin contribuisce al momento magnetico totale è se uno di loro è spaiato, cioè l'atomo ha un numero dispari di elettroni.

E il momento magnetico dei protoni nel nucleo? Bene, hanno anche un momento di rotazione, ma non si ritiene che contribuiscano in modo significativo al magnetismo di un atomo. Questo perché il momento di spin è inversamente dipendente dalla massa e la massa del protone è molto maggiore di quella dell'elettrone.

I domini magnetici

In ferro, cobalto e nichel, la triade di elementi con grande risposta magnetica, il momento di spin netto prodotto dagli elettroni non è nullo. In questi metalli gli elettroni nell'orbitale 3d, quelli più esterni, sono i che contribuiscono al momento magnetico netto. Ecco perché tali materiali sono considerati ferromagnetici.

Tuttavia, questo momento magnetico individuale di ogni atomo non è sufficiente per spiegare il comportamento dei materiali ferromagnetici.

All'interno di materiali fortemente magnetici ci sono regioni chiamate domini magnetici , la cui estensione può variare tra 10 ^-4 e ^10-1 cm e che contengono miliardi di atomi. In queste regioni, i momenti di spin netti degli atomi vicini diventano strettamente accoppiati.

Quando un materiale con domini magnetici si avvicina a un magnete, i domini si allineano tra loro, intensificando l'effetto magnetico.

È perché i domini, come i magneti a barra, hanno poli magnetici, ugualmente indicati con Nord e Sud, tali che i poli simili si respingono e i poli opposti si attraggono.

Quando i domini si allineano con il campo esterno, il materiale emette suoni scoppiettanti che possono essere uditi mediante un'adeguata amplificazione.

Questo effetto può essere visto quando un magnete attrae i chiodi di ferro dolce e questi a loro volta si comportano come magneti che attirano altri chiodi.

I domini magnetici non sono confini statici stabiliti all'interno del materiale. Le sue dimensioni possono essere modificate raffreddando o riscaldando il materiale, e anche sottoponendolo all'azione di campi magnetici esterni.

Tuttavia, la crescita del dominio non è illimitata. Nel momento in cui non è più possibile allinearli, si dice che sia stato raggiunto il punto di saturazione del materiale. Questo effetto si riflette nelle curve di isteresi sottostanti.

Il riscaldamento del materiale provoca la perdita di allineamento dei momenti magnetici. La temperatura alla quale si perde completamente la magnetizzazione varia a seconda del tipo di materiale, per un magnete a barra di solito si perde intorno ai 770 ° C.

Una volta rimosso il magnete, la magnetizzazione dei chiodi viene persa a causa dell'agitazione termica presente in ogni momento. Ma ci sono altri composti che hanno magnetizzazione permanente, perché hanno domini allineati spontaneamente.

I domini magnetici possono essere osservati quando un'area piatta di materiale ferromagnetico non magnetizzato, come il ferro dolce, è molto ben tagliata e lucidata. Una volta fatto, viene cosparso di polvere o limatura di ferro fine.

Al microscopio si osserva che le schegge sono raggruppate sulle regioni di formazione minerale con un orientamento molto ben definito, seguendo i domini magnetici del materiale.

La differenza di comportamento tra i diversi materiali magnetici è dovuta al modo in cui i domini si comportano al loro interno.

Isteresi magnetica

L'isteresi magnetica è una caratteristica che possiedono solo i materiali con elevata permeabilità magnetica. Non è presente nei materiali paramagnetici o diamagnetici.

Rappresenta l'effetto di un campo magnetico esterno applicato, indicato con H, sull'induzione magnetica B di un metallo ferromagnetico durante un ciclo di magnetizzazione e smagnetizzazione. Il grafico mostrato è chiamato curva di isteresi.

Ciclo di isteresi ferromagnetica

Inizialmente al punto O non c'è campo applicato H o risposta magnetica B , ma all'aumentare dell'intensità di H , l'induzione B aumenta progressivamente fino a raggiungere la magnitudine di saturazione B _s nel punto A, che è prevista.

Ora l'intensità di H viene progressivamente diminuita fino a diventare 0, con questo si raggiunge il punto C, tuttavia la risposta magnetica del materiale non scompare, trattenendo una magnetizzazione residua indicata dal valore B _r . Significa che il processo non è reversibile.

Da lì l'intensità di H aumenta ma con la polarità invertita (segno negativo), in modo che la magnetizzazione rimanente viene annullata nel punto D. Il valore necessario di H è indicato come H _c ed è chiamato campo coercitivo .

La grandezza di H aumenta fino a raggiungere nuovamente il valore di saturazione in E e immediatamente l'intensità di H diminuisce fino a raggiungere 0, ma rimane una magnetizzazione rimanente con polarità opposta a quella precedentemente descritta, al punto F.

Ora la polarità di H viene nuovamente invertita e la sua grandezza viene aumentata fino a quando non viene annullata la risposta magnetica del materiale nel punto G. Seguendo il percorso GA si ottiene nuovamente la sua saturazione. Ma la cosa interessante è che non ci sei arrivato dal percorso originale indicato dalle frecce rosse.

Materiali magneticamente duri e morbidi: applicazioni

Il ferro dolce è più facile da magnetizzare rispetto all'acciaio e picchiettare il materiale facilita ulteriormente l'allineamento dei domini.

Quando un materiale è facile da magnetizzare e smagnetizzare, si dice che sia magneticamente morbido e, naturalmente, se accade il contrario, è un materiale magneticamente duro . In quest'ultimo i domini magnetici sono piccoli, mentre nel primo sono grandi, quindi possono essere visti al microscopio, come spiegato sopra.

L'area racchiusa dalla curva di isteresi è una misura dell'energia richiesta per magnetizzare - smagnetizzare il materiale. La figura mostra due curve di isteresi per due materiali diversi. Quello a sinistra è magneticamente morbido, mentre quello a destra è duro.

Un materiale ferromagnetico morbido ha un piccolo campo coercitivo H _c e una curva di isteresi alta e stretta. È un materiale appropriato da collocare nel nucleo di un trasformatore elettrico. Ne sono un esempio le leghe di ferro dolce e silicio-ferro e ferro-nichel, utili per le apparecchiature di comunicazione.

D'altra parte, i materiali magneticamente duri sono difficili da smagnetizzare una volta magnetizzati, come nel caso delle leghe alnico (alluminio-nichel-cobalto) e delle terre rare con cui sono realizzati i magneti permanenti.

Riferimenti

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557-577.
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3. Zapata, F. (2003). Studio delle mineralogie associate al pozzo petrolifero Guafita 8x appartenente al giacimento Guafita (Stato Apure) mediante misure di Suscettibilità Magnetica e Spettroscopia di Mossbauer. Tesi di laurea. Università Centrale del Venezuela.