Le proprietà magnetiche di un materiale sono una classe di fenomeni fisici mediati da campi. Le correnti elettriche ei momenti magnetici delle particelle elementari generano un campo che agisce su altre correnti. Gli effetti più familiari si verificano nei materiali ferromagnetici, che sono fortemente attratti dai campi magnetici e possono magnetizzarsi in modo permanente, creando gli stessi campi carichi.
Solo poche sostanze sono ferromagnetiche. Per determinare il livello di sviluppo di questo fenomeno in una particolare sostanza, esiste una classificazione dei materiali in base alle proprietà magnetiche. I più comuni sono ferro, nichel e cob alto e loro leghe. Il prefisso ferro- si riferisce al ferro perché il magnetismo permanente è stato osservato per la prima volta nel ferro vuoto, una forma di minerale di ferro naturale chiamata le proprietà magnetiche del materiale, Fe3O4.
Materiali paramagnetici
Anche seil ferromagnetismo è responsabile della maggior parte degli effetti del magnetismo incontrati nella vita di tutti i giorni, tutti gli altri materiali sono influenzati dal campo in una certa misura, così come alcuni altri tipi di magnetismo. Sostanze paramagnetiche come alluminio e ossigeno sono debolmente attratte da un campo magnetico applicato. Sostanze diamagnetiche come rame e carbonio si respingono debolmente.
Mentre i materiali antiferromagnetici come il cromo e gli spin glass hanno una relazione più complessa con il campo magnetico. La forza di un magnete su materiali paramagnetici, diamagnetici e antiferromagnetici è solitamente troppo debole per essere percepita e può essere rilevata solo da strumenti di laboratorio, quindi queste sostanze non sono incluse nell'elenco dei materiali che hanno proprietà magnetiche.
Condizioni
Lo stato magnetico (o fase) di un materiale dipende dalla temperatura e da altre variabili come la pressione e il campo magnetico applicato. Un materiale può mostrare più di una forma di magnetismo al variare di queste variabili.
Cronologia
Le proprietà magnetiche di un materiale furono scoperte per la prima volta nel mondo antico quando le persone notarono che i magneti, frammenti di minerali naturalmente magnetizzati, potevano attrarre il ferro. La parola "magnete" deriva dal termine greco Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "pietra magnesiaca, pietra del piede".
Nell'antica Grecia, Aristotele attribuiva la prima di quella che potrebbe essere definita una discussione scientifica sulle proprietà magnetiche dei materiali,filosofo Talete di Mileto, vissuto dal 625 a. C. e. prima del 545 a. C e. L'antico testo medico indiano Sushruta Samhita descrive l'uso della magnetite per rimuovere le frecce incorporate nel corpo umano.
Antica Cina
Nell'antica Cina, il primo riferimento letterario alle proprietà elettriche e magnetiche dei materiali si trova in un libro del IV secolo aC intitolato al suo autore, Il Saggio della Valle dei Fantasmi. La prima menzione dell'attrazione dell'ago si trova nell'opera del I secolo Lunheng (Richieste equilibrate): "Il magnete attira l'ago".
Lo scienziato cinese dell'XI secolo Shen Kuo è stato il primo a descrivere - nel Dream Pool Essay - una bussola magnetica con un ago e che ha migliorato la precisione della navigazione attraverso metodi astronomici. concetto di vero nord. Nel 12° secolo, i cinesi erano noti per usare la bussola magnetica per la navigazione. Hanno modellato il cucchiaio guida in pietra in modo che il manico del cucchiaio sia sempre rivolto a sud.
Medioevo
Alexander Neckam, nel 1187, fu il primo in Europa a descrivere la bussola e il suo uso per la navigazione. Questo ricercatore per la prima volta in Europa ha stabilito a fondo le proprietà dei materiali magnetici. Nel 1269 Peter Peregrine de Maricourt scrisse l'Epistola de magnete, il primo trattato sopravvissuto che descrive le proprietà dei magneti. Nel 1282, le proprietà delle bussole e dei materiali con speciali proprietà magnetiche furono descritte da al-Ashraf, un fisico, astronomo e geografo yemenita.
Rinascimento
Nel 1600 pubblicò William Gilbertil suo “Magnetic Corpus” e “Magnetic Tellurium” (“Sul magnete e sui corpi magnetici, e anche sul grande magnete terrestre”). In questo articolo descrive molti dei suoi esperimenti con il suo modello di terra, chiamato terrella, con il quale ha condotto ricerche sulle proprietà dei materiali magnetici.
Dai suoi esperimenti, è giunto alla conclusione che la Terra stessa è magnetica e che questo è il motivo per cui le bussole puntavano a nord (in precedenza, alcuni credevano che fosse la stella polare (Polaris) o una grande isola magnetica a nord Polo che ha attirato la bussola).
Nuovo orario
La comprensione della relazione tra elettricità e materiali con speciali proprietà magnetiche apparve nel 1819 nel lavoro di Hans Christian Oersted, un professore dell'Università di Copenaghen, che scoprì muovendo accidentalmente l'ago di una bussola vicino a un filo che un la corrente può creare un campo magnetico. Questo esperimento fondamentale è noto come l'esperimento di Oersted. Seguirono diversi altri esperimenti con André-Marie Ampère, che scoprì nel 1820 che un campo magnetico circolante in un percorso chiuso era correlato a una corrente che scorreva attorno al perimetro del percorso.
Carl Friedrich Gauss era impegnato nello studio del magnetismo. Jean-Baptiste Biot e Felix Savart nel 1820 escogitarono la legge di Biot-Savart, che fornisce l'equazione desiderata. Michael Faraday, che scoprì nel 1831 che un flusso magnetico variabile nel tempo attraverso un anello di filo causava una tensione. E altri scienziati hanno trovato ulteriori connessioni tra magnetismo ed elettricità.
XX secolo e il nostrotempo
James Clerk Maxwell ha sintetizzato ed esteso questa comprensione delle equazioni di Maxwell unificando elettricità, magnetismo e ottica nel campo dell'elettromagnetismo. Nel 1905 Einstein utilizzò queste leggi per motivare la sua teoria della relatività speciale richiedendo che le leggi fossero vere in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
L'elettromagnetismo ha continuato ad evolversi nel 21° secolo, essendo incorporato nelle teorie più fondamentali della teoria di gauge, dell'elettrodinamica quantistica, della teoria elettrodebole e, infine, del modello standard. Al giorno d'oggi, gli scienziati stanno già studiando le proprietà magnetiche dei materiali nanostrutturati con potenza e forza. Ma le scoperte più grandi e sorprendenti in questo campo sono probabilmente ancora davanti a noi.
Essenza
Le proprietà magnetiche dei materiali sono dovute principalmente ai momenti magnetici degli elettroni orbitali dei loro atomi. I momenti magnetici dei nuclei atomici sono generalmente migliaia di volte inferiori a quelli degli elettroni, e quindi sono trascurabili nel contesto della magnetizzazione dei materiali. I momenti magnetici nucleari sono tuttavia molto importanti in altri contesti, specialmente nella risonanza magnetica nucleare (NMR) e nella risonanza magnetica (MRI).
Di solito, l'enorme numero di elettroni in un materiale è disposto in modo tale che i loro momenti magnetici (sia orbitali che interni) siano annullati. In una certa misura, ciò è dovuto al fatto che gli elettroni si combinano a coppie con momenti magnetici intrinseci opposti come risultato del principio di Pauli (vedi Configurazione elettronica) e si combinano in subshell pieni con movimento orbitale netto zero.
BIn entrambi i casi, gli elettroni utilizzano prevalentemente circuiti in cui il momento magnetico di ciascun elettrone viene annullato dal momento opposto dell' altro elettrone. Inoltre, anche quando la configurazione elettronica è tale che ci sono elettroni spaiati e/o subshell non riempiti, accade spesso che elettroni diversi in un solido contribuiscano a momenti magnetici che puntano in direzioni casuali diverse, in modo che il materiale non sia magnetico.
A volte, spontaneamente oa causa di un campo magnetico esterno applicato, ciascuno dei momenti magnetici degli elettroni si allineerà in media. Il materiale giusto può quindi creare un forte campo magnetico netto.
Il comportamento magnetico di un materiale dipende dalla sua struttura, in particolare dalla sua configurazione elettronica, per i motivi sopra esposti, e anche dalla temperatura. Ad alte temperature, il movimento termico casuale rende difficile l'allineamento degli elettroni.
Diamagnetismo
Il diamagnetismo si trova in tutti i materiali ed è la tendenza di un materiale a resistere a un campo magnetico applicato e quindi respingere il campo magnetico. Tuttavia, in un materiale con proprietà paramagnetiche (cioè con la tendenza a rafforzare un campo magnetico esterno), domina il comportamento paramagnetico. Pertanto, nonostante l'avvenimento universale, il comportamento diamagnetico si osserva solo in un materiale puramente diamagnetico. Non ci sono elettroni spaiati in un materiale diamagnetico, quindi i momenti magnetici intrinseci degli elettroni non possono crearequalsiasi effetto volume.
Tieni presente che questa descrizione è intesa solo come euristica. Il teorema di Bohr-Van Leeuwen mostra che il diamagnetismo è impossibile secondo la fisica classica e che una corretta comprensione richiede una descrizione quantomeccanica.
Nota che tutti i materiali passano attraverso questa risposta orbitale. Tuttavia, nelle sostanze paramagnetiche e ferromagnetiche, l'effetto diamagnetico è soppresso da effetti molto più forti causati da elettroni spaiati.
Ci sono elettroni spaiati in un materiale paramagnetico; cioè, orbitali atomici o molecolari con esattamente un elettrone in essi. Mentre il principio di esclusione di Pauli richiede che gli elettroni accoppiati abbiano i propri momenti magnetici ("spin") che puntano in direzioni opposte, causando l'annullamento dei loro campi magnetici, un elettrone spaiato può allineare il suo momento magnetico in entrambe le direzioni. Quando viene applicato un campo esterno, questi momenti tenderanno ad allinearsi nella stessa direzione del campo applicato, rafforzandolo.
Ferromagnet
Un ferromagnete, in quanto sostanza paramagnetica, ha elettroni spaiati. Tuttavia, oltre alla tendenza del momento magnetico intrinseco degli elettroni ad essere parallelo al campo applicato, in questi materiali c'è anche la tendenza di questi momenti magnetici ad orientarsi parallelamente tra loro per mantenere uno stato di ridotto energia. Così, anche in assenza di un campo applicatoi momenti magnetici degli elettroni nel materiale si allineano spontaneamente paralleli tra loro.
Ogni sostanza ferromagnetica ha la sua temperatura individuale, chiamata temperatura di Curie, o punto di Curie, al di sopra della quale perde le sue proprietà ferromagnetiche. Questo perché la tendenza termica al disordine travolge la riduzione di energia dovuta all'ordine ferromagnetico.
Il ferromagnetismo si verifica solo in poche sostanze; ferro, nichel, cob alto, le loro leghe e alcune leghe di terre rare sono comuni.
I momenti magnetici degli atomi in un materiale ferromagnetico fanno sì che si comportino come minuscoli magneti permanenti. Si uniscono e si combinano in piccole regioni di allineamento più o meno uniforme chiamate domini magnetici o domini di Weiss. I domini magnetici possono essere osservati utilizzando un microscopio a forza magnetica per rivelare i confini dei domini magnetici che assomigliano a linee bianche in uno schizzo. Ci sono molti esperimenti scientifici che possono mostrare fisicamente i campi magnetici.
Ruolo dei domini
Quando un dominio contiene troppe molecole, diventa instabile e si divide in due domini allineati in direzioni opposte per aderire in modo più stabile, come mostrato a destra.
Quando esposti a un campo magnetico, i confini del dominio si spostano in modo che i domini allineati magneticamente crescano e dominino la struttura (area gialla tratteggiata), come mostrato a sinistra. Quando il campo di magnetizzazione viene rimosso, i domini potrebbero non tornare a uno stato non magnetizzato. Questo porta aperché il materiale ferromagnetico è magnetizzato, formando un magnete permanente.
Quando la magnetizzazione era abbastanza forte da far sovrapporre il dominio dominante a tutti gli altri, portando alla formazione di un solo dominio separato, il materiale era magneticamente saturo. Quando un materiale ferromagnetico magnetizzato viene riscaldato alla temperatura del punto di Curie, le molecole si mescolano al punto in cui i domini magnetici perdono organizzazione e le proprietà magnetiche che causano cessano. Quando il materiale viene raffreddato, questa struttura di allineamento del dominio ritorna spontaneamente, più o meno in modo analogo a come un liquido può congelarsi in un solido cristallino.
Antiferromagnetics
In un antiferromagnete, a differenza di un ferromagnete, i momenti magnetici intrinseci degli elettroni di valenza vicini tendono a puntare in direzioni opposte. Quando tutti gli atomi sono disposti in una sostanza in modo che ogni vicino sia antiparallelo, la sostanza è antiferromagnetica. Gli antiferromagneti hanno un momento magnetico netto pari a zero, il che significa che non creano un campo.
Gli antiferromagneti sono più rari di altri tipi di comportamento e si osservano più spesso a basse temperature. A diverse temperature, gli antiferromagneti mostrano proprietà diamagnetiche e ferromagnetiche.
In alcuni materiali, gli elettroni vicini preferiscono puntare in direzioni opposte, ma non esiste una disposizione geometrica in cui ogni coppia di vicini sia anti-allineata. Si chiama spin glass eè un esempio di frustrazione geometrica.
Proprietà magnetiche dei materiali ferromagnetici
Come il ferromagnetismo, i ferrimagneti mantengono la loro magnetizzazione in assenza di campo. Tuttavia, come gli antiferromagneti, le coppie adiacenti di spin di elettroni tendono a puntare in direzioni opposte. Queste due proprietà non si contraddicono perché, in una disposizione geometrica ottimale, il momento magnetico da un sottoreticolo di elettroni che punta nella stessa direzione è maggiore che da un sottoreticolo che punta nella direzione opposta.
La maggior parte delle ferriti sono ferrimagnetiche. Le proprietà magnetiche dei materiali ferromagnetici oggi sono considerate innegabili. La prima sostanza magnetica scoperta, la magnetite, è una ferrite e originariamente si pensava fosse un ferromagnete. Tuttavia, Louis Neel lo confutò scoprendo il ferrimagnetismo.
Quando un ferromagnete o ferrimagnete è abbastanza piccolo, agisce come un singolo spin magnetico soggetto al moto browniano. La sua risposta a un campo magnetico è qualitativamente simile a quella di un paramagnete, ma molto di più.
Elettromagneti
Un elettromagnete è un magnete in cui un campo magnetico viene creato da una corrente elettrica. Il campo magnetico scompare quando la corrente viene interrotta. Gli elettromagneti di solito sono costituiti da un gran numero di spire di filo ravvicinate che creano un campo magnetico. Le bobine di filo sono spesso avvolte attorno a un nucleo magnetico fatto di materiale ferromagnetico o ferrimagnetico.un materiale come il ferro; il nucleo magnetico concentra il flusso magnetico e crea un magnete più forte.
Il vantaggio principale di un elettromagnete rispetto a un magnete permanente è che il campo magnetico può essere modificato rapidamente controllando la quantità di corrente elettrica nell'avvolgimento. Tuttavia, a differenza di un magnete permanente, che non richiede alimentazione, un elettromagnete richiede un'alimentazione continua di corrente per mantenere il campo magnetico.
Gli elettromagneti sono ampiamente utilizzati come componenti di altri dispositivi elettrici come motori, generatori, relè, solenoidi, altoparlanti, dischi rigidi, macchine per risonanza magnetica, strumenti scientifici e apparecchiature di separazione magnetica. Gli elettromagneti sono utilizzati anche nell'industria per afferrare e spostare oggetti di ferro pesanti come rottami metallici e acciaio. L'elettromagnetismo è stato scoperto nel 1820. Contestualmente è stata pubblicata la prima classificazione dei materiali in base alle proprietà magnetiche.
