Introduzione alla materia magnetica

Come per l'elettrostatica, dopo aver studiato le proprietà del campo magnetico nel vuoto, passiamo ad analizzarle nella materia. Tuttavia, nonostante troveremo molte analogie, ci troviamo di fronte a dei fenomeni prettamente diversi: abbiamo i magneti, i magneti; cioè, i magneti, magia.

Che roba è? Perché i magneti hanno effetti simili, se non uguali, ai circuiti elettrici? Insomma: perché i magneti generano un campo magnetico nello spazio? Per poter spiegarlo, procederemo in due step:

  1. giustificheremo che la materia si comporta come la corrente elettrica, quindi come sorgente del campo magnetico;
  2. generalizzeremo macroscopicamente la spiegazione microscopica del comportamento dei materiali.

Lo studio microscopico è identico a quello che abbiamo già visto nel caso dei dielettrici: trascurando gli effetti quantistici, riusciremo a dare una spiegazione qualitativa abbastanza soddisfacente dei fenomeni che vedremo. Tuttavia, questo non si può dire delle grandezze quantitative che tratteremo. Infatti esiste il teorema di Bohr-van Leeuwen che dimostra come, utilizzando la meccanica classica, tutti i valori medi del magnetismo debbano essere zero. In pratica, tutto ciò che stiamo vedendo non è vero, perché il mondo è fortemente soggetto a fenomeni quantistici, soprattutto in elettromagnetismo.

Macroscopicamente, però, ciò che vedremo ha riscontri sperimentali, quindi la teoria ancora serve a qualcosa; ciò che succede è esprimibile in poche parole: se prendiamo un pezzo di materia, ad esempio il ferro, e lo avviciniamo a un circuito percorso da corrente, la struttura interna del ferro si riconfigura e diventa una sorgente del campo magnetico (come accadeva nei dielettrici), andando quindi a variare il campo esterno: assume quindi un momento di dipolo, ogni volumetto ne avrà uno proprio, questi saranno concordi e coerenti tra loro, quindi sommandoli otterremo degli effetti significati sull'esterno. Fin qui, nulla di nuovo. La differenza sostanziale sta nel fatto che, per il magnetismo, esistono tre classi diversi di materiali (anche qui, li consideriamo omogenei, isotropi e lineari); avremo le sostanze:

  1. ferromagnetiche;
  2. paramagnetiche;
  3. diamagnetiche.

La differenza tra le tre classi sta nel come e quanto reagiscono agli influenza di un campo esterno. Consideriamo un solenoide indefinito, che crea quindi un campo uniforme, e prendiamo un pezzo di materia cilindrica (che può scorrere all'interno). Questo reagirà diversamente a seconda della classe a cui appartiene.

A temperatura ambiente, le tre classi hanno comportamenti differenti:

  1. i ferromagneti (come il ferro e la magnetite) vengono risucchiati nel solenoide, quindi si polarizzano nello stesso verso del campo magnetico. Inoltre, la forza con cui vengono attratti è molto forte, dell'ordine di grandezza della forza peso;
  2. i paramagneti (tra cui l'alluminio, l'ossigeno, l'uranio e gli elementi transuranici) vengono anch'essi risucchiati nel solenoide, quindi anche qui avremo una polarizzazione concorde al campo esterno, tuttavia la forza che subiscono è molto debole;
  3. i diamagneti (come l'acqua, le sostanze organiche, l'oro, l'argento e il mercurio e tutti i tipi di superconduttori) vengono invece respinti, quindi avranno una polarizzazione inversa rispetto al campo esterno, e la forza che subiscono è anche qui molto debole.

Fondamentale è la temperatura in cui consideriamo i nostri materiali: i paramagneti, se portati a temperature prossime allo zero assoluto, diventano tutti diamagneti; i ferromagneti, invece, se portati ad alte temperature, oltre una temperatura critica, diventano diamagneti. La differenza, come vedremo, sta nella strutta della materia. I paramagneti e i ferromagneti hanno un momento di dipolo magnetico intrinseco, quindi si polarizzeranno per orientamento come nel caso dei dielettrici. Al contrario, i diamagneti non hanno dipolo intrinseco, quindi si polarizzeranno per deformazione. Tutti i materiali si polarizzano per deformazione, solo che la polarizzazione per orientamento è dominante dove è presente. Ad alte temperature, l'agitazione termica vince su ogni polarizzazione e tutti i materiali diventano diamagneti.

La polarizzazione per deformazione, nel caso dei materiali magnetici, presenta alcune differenze da quelle dei dielettrici: l'atomo infatti compie un moto di precessione: il momento angolare ruota attorno alla direzione del campo magnetico, in verso opposto, compie un moto di precessione e genera una piccola corrente elettrica, che si oppone sempre al campo esterno.

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