Fisica

Come funzionano i magneti?

Come funzionano i magneti?

Elia Magrinelli

settembre 15th, 2017

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Se prendiamo un pezzo di legno e lo mettiamo accanto ad un altro pezzo di legno…non succede granché. Se prendiamo un pezzo di granito e lo mettiamo accanto ad un’altra roccia…anche questa volta non succede niente. Se invece prendiamo pezzo di ferro e lo mettiamo di fianco ad un altro pezzo di ferro…magia! O meglio, magneti! Oggetti magnetici sono in grado di attrarre oggetti lontani per la loro capacità di generare un campo magnetico, che si estende oltre i confini dell’oggetto. Ma sorge una domanda: Da dove vengono i campi magnetici? Questo video di MinutePhysics e Veritasium risponde a questa domanda.

L’elettricità ed il magnetismo sono due facce della stessa medaglia, un po’ come materia ed energia, spazio e tempo, possono essere trasformati gli uni negli altri. I campi magnetici sono semplicemente quello che succede ai campi elettrici quando un oggetto con carica elettrica comincia a muoversi. Possiamo vedere questo fenomeno in azione facendo passare dell’elettricità in un cavo di rame, normalmente non magnetico, ed osservare cosa succede ad una bussola vicina. Stesso motivo per il quale le correnti elettriche nel nucleo esterno della terra generano il campo geomagnetico. Cosa succede invece negli elementi naturalmente magnetici, questi non hanno correnti che si muovono all’interno in grado di generare campo magnetici…o forse non è così?

Se consideriamo quello che succede a livello microscopico, vi sono moltissimi elettroni che si muovono in giro in ogni atomo e molecola che compongono qualsiasi materiale. Il comportamento magnetico di ogni oggetto viene influenzato da un’interessante combinazione di fenomeni che si verificano al livello di particelle, atomi, gruppi di atomi ed insiemi di gruppi di atomi.

Cominciamo dal livello più piccolo: le particelle. A differenza di altre forze comuni, come quella elettrica e la gravità, il magnetismo spontaneo della materia può solamente essere compresa se la consideriamo come un effetto della meccanica quantistica. Elettroni e quark possiedono proprietà quali la massa e la carica elettrica, molte particelle hanno anche un’altra proprietà intrinseca chiamata “momento magnetico intrinseco”…si tratta di una proprietà alquanto complessa per la quale alcune particelle possono comportarsi anche come piccoli magneti. Chiedersi perchè queste particelle possiedono anche questa proprietà magnetica è un po’ come chiedersi perchè le particelle hanno una carica elettrica, o perchè oggetti con energia e momento generano gravità. Non sappiamo esattamente perchè, ma sappiamo che sono proprietà vere e che il nostro universo funziona grazie a queste proprietà.

Dagli anni ’20 sappiamo anche che ogni singolo elettrone e protone si comportano come piccoli magneti, il che ci permette di passare al livello degli atomi. Ogni atomo è composta da un insieme di protoni, dalla carica positiva, neutroni, privi di carica ed elettroni dalla carica negativa che si muovono attorno al nucleo di protoni e neutroni. La forza magnetica dei protoni è 1000 volte più debole rispetto a quella degli elettroni, pertanto il nucleo di un atomo ha pressoché nessun effetto sul magnetismo dell’atomo. Essendo gli elettroni in permanente movimento, possiamo prevedere che nel muoversi questi siano in grado di generare campi magnetici, chiamati campi magnetici orbitali. Tuttavia questi non contribuiscono al campo magnetico totale di un atomo. Con la meccanica quantistica è possibile descrivere in modo accurato e complicato gli elettroni, in breve gli elettroni descrivono orbitali attorno al nucleo, quando questi orbitali sono completamente occupati da elettroni, che si muovono in modo equo in ogni direzione, pertanto si cancellano tra di loro e non generano campi magnetici. Gli elettroni possiedono anche intrinseci momenti magnetici che a coppia sono orientati in modo opposto, annullandosi a vicenda e quindi non contribuiscono nemmeno al campo magnetico. Se però consideriamo orbitali parzialmente riempiti da elettroni, questi non sono più orientati a coppie in modo opposto ed il loro campo magnetico intrinseco si somma con un risultato netto in una direzione, formando il magnetismo intrinseco degli elettroni. Per questo motivo, gli elementi posizionati più nel centro della loro posizione nella tavola periodica, ovvero che possiedono orbitali più facilmente saturati non sono magnetici, mentre gli atomi nel centro della tavola hanno orbitali mezzi pieni e sono magnetici. Ad esempio elementi come il Nickel, il Cobalto, il Manganese, il Cromo e altri.

Passando a dimensioni più grandi osserviamo comportamenti alquanto diversi: ad esempio, se prendiamo un pezzo di Cromo, non un atomo di Cromo, questo non è magnetico. Sebbene un elemento, preso come atomo possiede un campo magnetico, non vuol dire che un materiale composto da molti di questi atomi sia magnetico. Tutto questo ci porta a quello che succede al livello dei cristalli. Quando un gruppo di atomi si mette assieme per formare un solido, in generale possono succedere due cose: possono orientarsi tutti mettendo il loro campo magnetico nella stessa direzione. La scelta tra le due possibilità ricade solitamente nella soluzione che richiede la minor quantità di energia per succedere. Per questo motivo il Cromo è un atomo fortemente magnetico, ma un solido non magnetico, ovvero è un elemento molto anti-ferromagnetico. Al contrario, il Ferro è talmente ferromagnetico da essere stato usato per la radice del nome di questo fenomeno.

L’ultimo livello del magnetismo è quello dei domini, anche in un solido formato da atomi magnetici che forma solidi magnetici, può succedere che diversi pezzi del solido formato abbiano atomi orientati nella stessa direzione all’interno dello stesso pezzo, ma in direzione diversa rispetto ad altri pezzi del solido. Se ciascuno di questi domini è di dimensione comparabile, nessuno può essere forte abbastanza da istruire gli altri pezzi ad orientarsi nella stessa direzione. Tuttavia, se viene applicato un forte campo magnetico all’intero solido è possibile favorire l’orientamento del campo magnetico di tutti i pezzi del solido.

In conclusione, una delle interessanti caratteristiche del magnetismo è che si tratta di una proprietà quantistica amplificata alle dimensioni di oggetti di ogni giorno. Ogni magnete naturale ci ricorda che la meccanica quantistica è alla base dell’intero universo. Affinché un oggetto sia magnetico deve possedere un insieme coordinato di domini magnetici, ciascuno costituito da moltissimi di atomi magnetici che devono essere a loro volta allineati ognuno dei quali può essere magnetico se ha degli orbitali approssimativamente riempiti a metà. Dal momento che questi criteri sono molto difficili da seguire, molti pochi elementi sono naturalmente magnetici

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