I domini magnetici spiegati ai miei amici

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La settimana scorsa – dico ai miei amici seduti attorno al tavolino del nostro bar – ho parlato del campo magnetico terrestre ed ho accennato alle proprietà magnetiche di alcuni materiali.
Oggi vado un po’ più a fondo. Voglio mettere a dura prova le vostre capacità di concentrazione. L’argomento non è semplice, ma non difficile da capire. Cercherò di spiegarlo nel modo più chiaro possibile.

Vedo la faccia preoccupata dei miei amici, come dire di aver pietà di loro.

Lo so che preferite parlare di ricette di cucina, di politica e di calcio. Ma oggi è il mio turno e ve lo avevo promesso. Se l’argomento interessa poco – aggiungo – potete continuare a gustare con calma la vostra colazione e a guardare le belle ragazze e le signore in cerca di compagnia che passeggiano. Se potete, però, tenete le orecchie tese. Nella vita è bello nutrirsi anche di pietanze gustose e non solo di  verdure.

La domanda era questa: cos’è il magnetismo e come si manifesta.
Per capire i fenomeni magnetici bisogna partire dal presupposto che ad ogni atomo o molecola della sostanza magnetica, sia associato un momento magnetico (M).
L’elettrone possiede, oltre alla carica elettrica, un momento magnetico intrinseco.

Io già non capisco più nulla – mi dice Nicola – faccio fatica ad immaginare gli elettroni, figuriamoci a capire cosa sia un momento magnetico.
Non hai tutti i torti. Allora chiarisco meglio questo concetto, estremamente importante. Stai attento – gli consiglio.

La sperimentazione pratica ci dice che una spira percorsa da corrente elettrica genera nel suo interno un campo magnetico con verso in direzione ortogonale alla spira. Niente di difficile da capire.
L’elettrone che possiede una carica negativa ruota attorno al nucleo di carica positiva. Si riconosce subito che l’orbita percorsa da un elettrone corrisponde ad una spira percorsa da una corrente. Questo genera un debole campo magnetico denominato momento magnetico (M’).
Inoltre l’elettrone possiede anche un momento magnetico proprio (M’’) dovuto al fatto che si può pensare all’elettrone come una particella che ruota su se stessa; un movimento detto Spin.

La combinazione di questi due momenti magnetici intriseci dell’elettrone (M = M’+M’’) conferisce all’atomo un momento magnetico proprio.
Fin qua ci siete?

Qual’è la importanza di questi momenti magnetici visto che ci tieni tanto a spiegarlo? – mi interrompe Luigi.
(Questo è un buon segno, significa che i miei amici sono svegli. Ma lui che è un chimico certe cose dovrebbe saperle).

Ora ti spiego.
Nel caso del magnetismo è estremamente importante la disposizione degli elettroni nella struttura cristallina della sostanza, che permette di prevedere il comportamento magnetico.

Un certo signore, Pierre-Ernest Weiss, nei primi anni del ‘900 formulò l’ipotesi dei “domini”.
I domini sono regioni molto piccole della materia ma contenenti un gran numero di molecole.
La molecola, lo dico per Nicola, è la parte più piccola della materia composta da atomi dello stesso elemento e da atomi di elementi diversi.

Domini magnetici01Bene, tali domini sono disposti a caso, in assenza di campo esterno, in modo che non è rilevabile macroscopicamente alcuna magnetizzazione generata dai momenti magnetici dei singoli atomi.

Perché vi domanderete?
La distribuzione a caso dei domini contribuisce a produrre un vettore di magnetizzazione nullo (M = 0).
Ovvero la somma dei singoli momenti magnetici si annullano tra loro.

Ora, cari amici, fate attenzione, perché arriva la parte più interessante. Se volete, ordinate dell’altro al cameriere, fate pure, tanto oggi paga Luigi.
(A questa affermazione a Luigi gli è venuto un colpo.)

Non tutti i materiali si comportano alla stessa maniera – continuo a spiegare dopo che ho rassicurato Luigi che oggi pago io, vista la difficoltà dell’argomento.

La differenza intrinseca tra un materiale e l’altro viene rappresentata dal simbolo, μ (mi), chiamato “permeabilità del materiale”.
Come dice il nome, esso contraddistingue la permeabilità del materiale ad un campo magnetico. Ovvero la capacità di essere attraversata e di reagire ad un campo magnetico esterno.

Bene, ora faccio l’esempio più facile da capire.
Prendiamo una barretta di ferro e la sottoponiamo ad un campo magnetico esterno: H.
L’effetto dell’azione esercitata dal campo magnetico estero sul materiale ferroso si chiama “induzione magnetica”: B.

In pratica cosa è la induzione magnetica – mi interrompe Nicola che sembra quello più interessato.
E’ la capacità di un materiale a magnetizzarsi – rispondo

Come avviene – mi domanda di colpo Luigi.
Calma, che spiego tutto – rispondo.

In base a tutto quello che ho detto finora, la induzione magnetica acquisita dal materiale dipende dalla intensità del campo magnetico esterno e dal suo momento magnetico interno per cui la induzione magnetica ve la scrivo su un tovagliolo così capirete meglio. (chiamo la cameriera, niene male, e chiedo una penna. I miei amici mi guardano impauriti)

B = μ0 H + μ0 M
Dove μ0 è la permeabilità del spazio vuoto o semplicemente del vuoto.

Cosa c’entra il vuoto, penserete?
Lo spazio vuoto dell’universo ha anch’esso una permeabilità magnetica, molto bassa ma anche lo spazio vuoto ha una permeabilità che è una delle principali costanti della fisica (μ0 = 4π*10-7 H/m)

Ora la induzione magnetica può essere scritta in maniera più semplice.
Visto che ci sto vi faccio anche la dimostrazione su quest’altro tovagliolo:
(altra espressione impaurita dei miei amici, ma non protestano)

ponendo:
χ = M/H (rapporto tra momento magnetico e campo magnetico esterno: chiamato suscettività magnetica)
La suscettività magnetica può essere definita come la caratteristica che contraddistingue il materiale alla reazione di un campo magnetico.

si ottiene:
B/H = μ0 + μ0 M/H = μ0 + μ0 χ = μ0 (1 + χ)

Ponendo μr = (1 + χ)
Si ha
B/H = μ0 μr
B = μ0 μr H

Ovvero
B = μ H

Con: μ = μ0 μr
Dove μr è la “permeabilità magnetica relativa” del materiale.

Da questa semplice formuletta si vede che la induzione magnetica (B) dipende dal campo magnetico esterno (H), ovviamente,  dalle proprietà intrinseche del materiale evidenziate dalla permeabiltà magnetica (μr) dello stesso materiale (che dipende dai momenti magnetici dei singoli atomi: M), e dalla permeabilità, costante, del vuoto, (μ0).

Non ho capito niente lo stesso – mi dice Nicola – ed ora ti tolgo anche tutti i tovaglioli.
Peggio per voi – rispondo – perché ora dovete prestare più attenzione.

Bene, μr , la permeabilità magnetica relativa di un materiale (che dipende dai momenti magnetici dei singoli domini) reagisce al campo magnetico esterno.

Domini ferromagneticiI domini magnetici che originariamente erano orientati a caso e si annullavano tra di loro tendono, ora, ad allinearsi secondo il campo magnetico esterno H.
Tale allineamento permane anche se il campo magnetico esterno è rimosso, dando origine ad una magnetizzazione residua.
In pratica all’aumentare del campo H, aumenta l’induzione B, aumentano le dimensioni dei domini concordi con il campo e si ha la rotazione di altri domini che si allineano con il campo H.

Domini ferromagnetici2Questo fenomeno è chiamato “ferromagnetismo”, i materiali sono chiamati “materiali ferromagnetici” (ferro, nichel, cobalto…) ed hanno:
μr >>1
ovvero una permeabilità molto maggiore di 1.

Al di sopra di una certa temperatura, temperatura di Curie, i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà. Per il ferro metallico la temperatura di Curie è di circa 770 °C

Tutto chiaro?
Ok, ora passo al comportamento di altri materiali: alluminio, calcio, ossigeno, platino, sodio, uranio, magnesio …
Questi materiali vengono chiamati “paramagnetici”.

I materiali paramagnetici sono caratterizzati a livello atomico da momenti magnetici che nei domini si allineano con il campo magnetico applicato, venendone debolmente attratti.
Contrariamente ai materiali ferromagnetici (che pure sono attratti da campi magnetici), i materiali paramagnetici non conservano la magnetizzazione in assenza di un campo esterno applicato.
μr >1
ovvero debole permeabilità magnetica poco discostante dall’unità.

Altro esempio.
Ci sono poi dei materiali che hanno uno strano comportamento: mercurio, oro, rame, argento, bismuto.
Sono i materiali “diamagnetici”.

Cosa hanno di strano?
Quando una sostanza diamagnetica viene immersa in un campo magnetico, essa reagisce indebolendo il campo esterno (H) con un piccolo momento magnetico diretto in verso ‘opposto’. Ovvero i domini magnetici si dispongono parallelamente a contrastare il campo esterno.

I materiali diamagnetici hanno:
μr <1
ovvero permeabilità magnetica minore della unità.
Le sostanze diamagnetiche sono le più diffuse.

In seguito alle scoperte sulle origini atomiche delle proprietà magnetiche, sono state formulate altre classificazioni dei materiali.

Sostanze antiferromagnetiche.
AntiferromagnetismoI momenti magnetici si allineino in modo antiparallelo.
Anche per queste sostanze l’antiferromagnetismo scompare al di sopra di una certa temperatura.

Sostanze ferrimagnetiche.
FerrimagnetismoAnche per le sostanze ferrimagnetiche i momenti si allineino in modo antiparallelo, ma non essendo i momenti antiparalleli uguali in modulo, risulta un momento magnetico risultante non nullo e quindi il materiale presenta una magnetizzazione spontanea.

Bene io ho finito (respiro di sollievo dei miei amici).
Non so se avete capito tutto. Mi basta che avete capito almeno qualcosa. Una cosa è certa, ora sapete che non tutte le sostanze si comportano alla stessa maniera sottoposte ad un campo magnetico. Alcune si magnetizzano in modo permanente, altre perdono la magnetizzazione, altre che si oppongono debolmente al campo magnetico, altre ancora che hanno comportamento strano chiamato antiparallelismo forte e debole.
Chi è stato più attento ha capito anche il motivo.

Ora finisco di mangiare il mio bombolone e bere il mio latte macchiato oramai freddo. Alla prossima colazione parlate voi. Io mangio e ascolto.
Ora alziamoci e facciamo un giro nel mercatino.


Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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14 risposte a I domini magnetici spiegati ai miei amici

  1. Rebecca Antolini ha detto:

    Buongiorno caro Silvano anche io andavo una volta a scuola anche se ora preferisco la cucina vegana con tutta la verdura che offre la terra.. ma nonostante nel profondo del mio cervello rimasto una stanzetta con altre formule oltre quella della cucina😀 .. a scuola si parlava in fisica di Pierre Ernest Weiss se mi ricordo bene era lui quello che si inventate la teoria sui domini magnetici.. sinceramente non capisco tanto di queste cose, ma alcune cose rimangono in mente .. ma questi tuoi amici hanno addosso il ferro?😀 e tu un magnete😀 ?? Ora capisco come mai sono cosi lungo sdutto con te la bar per ascoltarti … poveretti ahahahaha .. ma sai tu sai scrivere in una maniera che attira come un magnete anche se poi alla fine si capisce poco della materia .. intanto ti auguro un sereno periodo d’avvento che ha proprio ieri iniziato, un abbraccio la tua Pif (magnetizzata da te ) dimenticavo Bleff si ha stufato delle tue insegnamenti?? O lo porti con te la bar durante le lezioni??????

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    • bruce ha detto:

      Ah ah ah, sei una persona spontanea e genuina. Per questo mi piaci, fin quando non ti intestardisci😉
      Tutti noi abbiamo una stanzetta riservata per imparare, il guaio è che spesso la teniamo chiusa.
      I miei amici? Sono le mie vittime sacrificali, li adopero un po’ come cavie. Racconto loro quello che ho in testa e se mostrano un briciolo di interesse allora lo pubblico. Un po’ come fanno le case farmaceutiche, sperimentano sui topi e se poi funziona vendono il prodotto.
      E poi devi saper che io sono più paziente di loro. E’ una gran rottura di scatole sentire i miei amici parlare di politica e di calcio. Sempre le stesse cose, le stesse incazzature, ognuno dice la sua ed ognuno vuole avere ragione.
      Io ascolto in silenzio e guardo le belle ragazze passeggiare.😉
      Allora meglio le mie rotture di scatole, almeno imparano qualcosa e soprattutto non hanno alcuna possibilità di discutere. 😉
      Bleff? Quando rientro a casa gli racconto. Ma lui queste cose le sa, ha studiato con me ed ha la laurea honoris causa.

      Ora vado a leggere il tuo post che ancora una volta non ho la notifica via e-mail. Vacca boia.
      Buona giornata.

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  2. MARGHIAN ha detto:

    Tutto molto interessante, ho fatto un piacevole ripasso-di cose che ho visto anni fa, sbirciando su un libro di teesto di mio fratello, allora liceale 🙂
    Sapevo pressappoco “tutto”, eccetto la questione dei “domini”.
    “μ0 è la permeabilità del spazio vuoto o semplicemente del vuoto”. Che serve, insieme alla permeabilità (o permettività) elettrica, per indicare la velocità della luce nel vuoto.
    Ciao.

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    • bruce ha detto:

      Mi fa piacere che questo post non sia sevito solo ai miei amici anche se credo che loro dimenticano in fretta, l’età conta molto🙂
      I domini sono un teoria, ma molto vicina alla realtà se pensiamo che in natura la materia o meglio le molecole sono disposte disordinatamente nella materia, quindi annullando naturalmente le reciproche interazioni.
      Ovviamente c’erano molte altre cose da dire, ma non volevo abusare troppo. Ma non si sa mai, potevo rischiare di grosso.
      Ciao

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  3. MARGHIAN ha detto:

    “Sicuramente marghian non mi rivolgerà più la parola..” ma no, tranquillo🙂

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