PARAMAGNETISMO: CAUSE, MATERIALI PARAMAGNETICI, ESEMPI - FISICO - 2026

Il paramagnetismo è una forma di magnetismo in cui alcuni materiali sono debolmente attratti da un campo magnetico esterno e formano campi magnetici interni indotti nella direzione del campo magnetico applicato.

Contrariamente a quanto spesso pensano molte persone, le proprietà magnetiche non sono limitate solo alle sostanze ferromagnetiche. Tutte le sostanze hanno proprietà magnetiche, anche in modo più debole. Queste sostanze sono chiamate paramagnetiche e diamagnetiche.

In questo modo si possono distinguere due tipi di sostanze: paramagnetiche e diamagnetiche. In presenza di un campo magnetico, i paramagnetici vengono attratti verso la zona dove l'intensità del campo è maggiore. Invece, la diamagnetica è attratta dalla regione del campo in cui l'intensità è più bassa.

Quando sono in presenza di campi magnetici, i materiali paramagnetici sperimentano lo stesso tipo di attrazione e repulsione che provano i magneti. Tuttavia, quando il campo magnetico scompare, l'entropia termina l'allineamento magnetico che era stato indotto.

In altre parole, i materiali paramagnetici sono attratti dai campi magnetici, sebbene non diventino materiali magnetizzati in modo permanente. Alcuni esempi di sostanze paramagnetiche sono: aria, magnesio, platino, alluminio, titanio, tungsteno e litio, tra gli altri.

Le cause

Il paramagnetismo è dovuto al fatto che alcuni materiali sono costituiti da atomi e molecole che hanno momenti magnetici permanenti (o dipoli), anche quando non sono in presenza di un campo magnetico.

I momenti magnetici sono causati dagli spin di elettroni spaiati nei metalli e in altri materiali che hanno proprietà paramagnetiche.

Nel puro paramagnetismo i dipoli non interagiscono tra loro, ma sono orientati casualmente in assenza di un campo magnetico esterno come conseguenza dell'agitazione termica. Questo genera un momento magnetico zero.

Tuttavia, quando viene applicato un campo magnetico, i dipoli tendono ad allinearsi con il campo applicato, determinando un momento magnetico netto nella direzione di quel campo e aggiungendosi a quello del campo esterno.

In entrambi i casi, l'allineamento dei dipoli può essere contrastato dall'effetto della temperatura.

In questo modo, quando il materiale viene riscaldato, l'agitazione termica è in grado di contrastare l'effetto del campo magnetico sui dipoli ed i momenti magnetici si riorientano in modo caotico, riducendo l'intensità del campo indotto.

Legge di Curie

La legge di Curie è stata sviluppata sperimentalmente dal fisico francese Pierre Curie nel 1896. Può essere applicata solo quando sono presenti alte temperature e la sostanza paramagnetica è in presenza di deboli campi magnetici.

Questo è così perché non riesce a descrivere il paramagnetismo quando gran parte dei momenti magnetici sono allineati.

La legge afferma che la magnetizzazione del materiale paramagnetico è direttamente proporzionale all'intensità del campo magnetico applicato. È la cosiddetta legge di Curie:

M = X ∙ H = CH / T

Nella formula sopra M è la magnetizzazione, H è la densità del flusso magnetico del campo magnetico applicato, T è la temperatura misurata in gradi Kelvin e C è una costante specifica per ogni materiale ed è chiamata costante di Curie.

Osservare la legge di Curie mostra anche che la magnetizzazione è inversamente proporzionale alla temperatura. Per questo motivo, quando il materiale viene riscaldato, i dipoli ed i momenti magnetici tendono a perdere l'orientamento acquisito dalla presenza del campo magnetico.

Materiali paramagnetici

I materiali paramagnetici sono tutti quei materiali con permeabilità magnetica (capacità di una sostanza di attrarre o far passare un campo magnetico) simile alla permeabilità magnetica di un vuoto. Tali materiali mostrano un livello trascurabile di ferromagnetismo.

In termini fisici, si afferma che la sua permeabilità magnetica relativa (quoziente tra la permeabilità del materiale o del mezzo e la permeabilità del vuoto) è approssimativamente uguale a 1, che è la permeabilità magnetica del vuoto.

Tra i materiali paramagnetici esiste un particolare tipo di materiali che viene chiamato superparamagnetico. Sebbene seguano la legge di Curie, questi materiali hanno un valore abbastanza alto della costante di Curie.

Differenze tra paramagnetismo e diamagnetismo

Fu Michael Faraday che, nel settembre 1845, si rese conto che in realtà tutti i materiali (non solo quelli ferromagnetici) reagiscono alla presenza di campi magnetici.

In ogni caso, la verità è che la maggior parte delle sostanze ha un carattere diamagnetico, poiché le coppie di elettroni accoppiati - e, quindi, con spin opposto - favoriscono debolmente il diamagnetismo. Al contrario, solo quando ci sono elettroni spaiati si verifica il diamagnetismo.

Sia i materiali paramagnetici che quelli diamagnetici hanno una debole suscettibilità ai campi magnetici, ma mentre nel primo è positivo nel secondo è negativo.

I materiali diamagnetici sono leggermente respinti da un campo magnetico; d'altra parte, i paramagnetici sono attratti, sebbene anche con poca forza. In entrambi i casi, quando il campo magnetico viene rimosso, gli effetti della magnetizzazione scompaiono.

Come già accennato, la stragrande maggioranza degli elementi che compongono la tavola periodica sono diamagnetici. Pertanto, esempi di sostanze diamagnetiche sono acqua, idrogeno, elio e oro.

applicazioni

Poiché i materiali paramagnetici hanno un comportamento simile al vuoto in assenza di un campo magnetico, le loro applicazioni nell'industria sono alquanto limitate.

Una delle applicazioni più interessanti del paramagnetismo è la Risonanza Paramagnetica Elettronica (RPE), ampiamente utilizzata in fisica, chimica e archeologia. È una tecnica di spettroscopia con la quale è possibile rilevare specie con elettroni non accoppiati.

Questa tecnica è applicata nelle fermentazioni, nella produzione industriale di polimeri, per l'usura degli oli motore e nella produzione di birre, tra le altre aree. Allo stesso modo, questa tecnica è ampiamente utilizzata nella datazione dei resti archeologici.

Riferimenti

1. Paramagnetismo (nd). In Wikipedia. Estratto il 24 aprile 2018 da es.wikipedia.org.
2. Diamagnetismo (nd). In Wikipedia. Estratto il 24 aprile 2018 da es.wikipedia.org.
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5. Chang, MC "Diamagnetism and paramagnetism" (PDF). Appunti delle lezioni NTNU. Estratto il 25 aprile 2018.
6. Orchard, AF (2003) Magnetochimica. La stampa dell'università di Oxford.