MAGNETIZZAZIONE: MOMENTO MAGNETICO ORBITALE E DI SPIN, ESEMPI - FISICO - 2026

La magnetizzazione è una quantità vettoriale che descrive lo stato magnetico di un materiale ed è definita come la quantità di momenti magnetici dipolari per unità di volume. Un materiale magnetico, ad esempio ferro o nichel, può essere considerato composto da tanti piccoli magneti chiamati dipoli.

Normalmente questi dipoli, che a loro volta hanno poli magnetici nord e sud, sono distribuiti con un certo grado di disordine all'interno del volume del materiale. Il disturbo è minore nei materiali con forti proprietà magnetiche come il ferro e maggiore in altri con magnetismo meno evidente.

Figura 1. I dipoli magnetici sono disposti casualmente all'interno di un materiale. Fonte: F. Zapata.

Tuttavia, ponendo il materiale al centro di un campo magnetico esterno, come quello prodotto all'interno di un solenoide, i dipoli vengono orientati in base al campo e il materiale è in grado di comportarsi come un magnete (Figura 2).

Figura 2. Posizionando un materiale come un pezzo di ferro per esempio, all'interno di un solenoide attraverso il quale passa una corrente I, il campo magnetico di questo allinea i dipoli nel materiale. Fonte: F. Zapata.

Sia M il vettore di magnetizzazione, che è definito come:

Ora, l'intensità della magnetizzazione nel materiale, prodotto dell'immersione nel campo esterno H , è proporzionale a questo, quindi:

M ∝ H

La costante di proporzionalità dipende dal materiale, si chiama suscettibilità magnetica ed è indicata come χ:

M = χ. H

Le unità di M nel Sistema Internazionale sono ampere / metro, come quelle di H , quindi χ è adimensionale.

Momento magnetico orbitale e di spin

Il magnetismo nasce dallo spostamento di cariche elettriche, quindi per determinare il magnetismo dell'atomo, bisogna tener conto dei movimenti delle particelle cariche che lo costituiscono.

Figura 3. Il movimento dell'elettrone attorno al nucleo contribuisce al magnetismo con il momento magnetico orbitale. Fonte: F. Zapata.

A partire dall'elettrone, che è considerato in orbita attorno al nucleo atomico, è come un minuscolo anello (circuito chiuso o anello di corrente chiuso). Questo movimento contribuisce al magnetismo dell'atomo grazie al vettore del momento magnetico orbitale m, la cui grandezza è:

Dove I è l'intensità della corrente e A è l'area racchiusa dal loop. Pertanto, le unità di m nel Sistema Internazionale (SI) sono amp x metro quadrato.

Il vettore m è perpendicolare al piano del cappio, come mostrato nella Figura 3, ed è diretto come indicato dalla regola del pollice destro.

Il pollice è orientato nella direzione della corrente e le quattro dita rimanenti sono avvolte attorno al cappio, rivolte verso l'alto. Questo piccolo circuito è equivalente a una barra magnetica, come mostrato nella Figura 3.

Momento magnetico di rotazione

A parte il momento magnetico orbitale, l'elettrone si comporta come se ruotasse su se stesso. Non accade esattamente in questo modo, ma l'effetto risultante è lo stesso, quindi questo è un altro contributo che deve essere preso in considerazione per il momento magnetico netto di un atomo.

Infatti, il momento magnetico di spin è più intenso del momento orbitale ed è principalmente responsabile del magnetismo netto di una sostanza.

Figura 4. Il momento magnetico di spin è quello che contribuisce maggiormente alla magnetizzazione netta di un materiale. Fonte: F. Zapata.

I momenti di rotazione si allineano in presenza di un campo magnetico esterno e creano un effetto a cascata, allineandosi successivamente con i momenti vicini.

Non tutti i materiali presentano proprietà magnetiche. Ciò è dovuto al fatto che gli elettroni con spin opposto formano coppie e annullano i rispettivi momenti magnetici di spin.

Solo se qualcuno non è accoppiato c'è un contributo al momento magnetico totale. Pertanto, solo gli atomi con un numero dispari di elettroni hanno la possibilità di essere magnetici.

I protoni nel nucleo atomico danno anche un piccolo contributo al momento magnetico totale dell'atomo, perché hanno anche spin e quindi un momento magnetico associato.

Ma questo dipende inversamente dalla massa e quella del protone è molto più grande di quella dell'elettrone.

Esempi

All'interno di una bobina, attraverso la quale passa una corrente elettrica, si crea un campo magnetico uniforme.

E come descritto nella figura 2, quando si posiziona un materiale lì, i momenti magnetici di questo si allineano con il campo della bobina. L'effetto netto è quello di produrre un campo magnetico più forte.

I trasformatori, dispositivi che aumentano o diminuiscono le tensioni alternate, sono buoni esempi. Sono costituiti da due bobine, la primaria e la secondaria, avvolte su un nucleo di ferro dolce.

Figura 5. Nel nucleo del trasformatore si verifica una magnetizzazione netta. Fonte: Wikimedia Commons.

Una corrente variabile viene fatta passare attraverso la bobina primaria che modifica alternativamente le linee del campo magnetico all'interno del nucleo, che a sua volta induce una corrente nella bobina secondaria.

La frequenza dell'oscillazione è la stessa, ma l'ampiezza è diversa. In questo modo si possono ottenere tensioni maggiori o minori.

Invece di avvolgere le bobine su un nucleo di ferro pieno, è preferibile inserire un riempimento di fogli di metallo ricoperti di vernice.

Il motivo è dovuto alla presenza di correnti parassite all'interno del nucleo, che hanno l'effetto di surriscaldarlo eccessivamente, ma le correnti indotte nelle lastre sono inferiori, e quindi il riscaldamento del dispositivo è ridotto al minimo.

Caricabatterie wireless

Un telefono cellulare o uno spazzolino elettrico possono essere caricati mediante induzione magnetica, nota come ricarica wireless o ricarica induttiva.

Funziona come segue: c'è una base o una stazione di ricarica, che ha un solenoide o bobina principale, attraverso la quale viene fatta passare una corrente variabile. Un'altra bobina (secondaria) è attaccata al manico della spazzola.

La corrente nella bobina primaria a sua volta induce una corrente nella bobina del manico quando la spazzola è posizionata nella stazione di ricarica, e questo si occupa di caricare la batteria che è anche nel manico.

L'intensità della corrente indotta aumenta quando un nucleo di materiale ferromagnetico, che può essere ferro, viene posizionato nella bobina principale.

Affinché la bobina primaria rilevi la prossimità della bobina secondaria, il sistema emette un segnale intermittente. Una volta ricevuta una risposta, il meccanismo descritto si attiva e la corrente inizia ad essere indotta senza necessità di cavi.

ferrofluidi

Un'altra interessante applicazione delle proprietà magnetiche della materia sono i ferrofluidi. Questi sono costituiti da minuscole particelle magnetiche di un composto di ferrite, sospese in un mezzo liquido, che può essere organico o addirittura acqua.

Le particelle sono rivestite con una sostanza che ne impedisce l'agglomerazione e quindi rimangono distribuite nel liquido.

L'idea è che la scorrevolezza del liquido si combini con il magnetismo delle particelle di ferrite, che di per sé non sono fortemente magnetiche, ma acquisiscono una magnetizzazione in presenza di un campo esterno, come sopra descritto.

La magnetizzazione acquisita scompare non appena il campo esterno viene ritirato.

I ferrofluidi sono stati originariamente sviluppati dalla NASA per mobilitare il carburante all'interno di un veicolo spaziale senza gravità, dando impulso con l'aiuto di un campo magnetico.

Attualmente i ferrofluidi hanno molte applicazioni, alcune ancora in fase sperimentale, come:

- Ridurre l'attrito sui silenziatori degli altoparlanti e delle cuffie (evitare il riverbero).

- Consentono la separazione di materiali di diversa densità.

- Agiscono come guarnizioni sugli alberi dei dischi rigidi e respingono lo sporco.

- Come trattamento del cancro (in fase sperimentale). Il ferrofluido viene iniettato nelle cellule tumorali e viene applicato un campo magnetico che produce piccole correnti elettriche. Il calore generato da questi attacca le cellule maligne e le distrugge.

Riferimenti

1. Giornale brasiliano di fisica. Ferrofluidi: proprietà e applicazioni. Estratto da: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 6. Elettromagnetismo. A cura di Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 ° Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione ridotta. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introduzione alla scienza fisica. Cengage Learning. 206-208.