Di Chris Deziel, aggiornato al 24 marzo 2022
Magnetismo ed elettricità sono fenomeni profondamente intrecciati che spesso possono essere visti come due facce della stessa medaglia. Il comportamento magnetico dei metalli ha origine dalla disposizione degli elettroni nei loro gusci atomici.
Ogni elemento possiede caratteristiche magnetiche, sebbene la maggior parte siano sottili e non immediatamente evidenti. I metalli che attraggono i magneti condividono una caratteristica comune:gli elettroni spaiati nei loro gusci più esterni. Questa configurazione elettronica è il motore principale del magnetismo.
I metalli che possono essere magnetizzati permanentemente sono chiamati ferromagnetici . L'elenco è breve e il termine deriva dalla parola latina per ferro, ferrum .
Al contrario, paramagnetico i materiali si magnetizzano temporaneamente quando esposti a un campo magnetico. La classe comprende non solo i metalli ma anche molecole covalenti come l'ossigeno (O₂) e vari solidi ionici.
Tutto ciò che non è né ferromagnetico né paramagnetico è diamagnetico . Le sostanze diamagnetiche mostrano una leggera repulsione verso i campi magnetici, quindi un magnete convenzionale non le attira. In realtà, tutti i materiali mostrano un certo grado di diamagnetismo.
Secondo il modello atomico accettato, il nucleo contiene protoni caricati positivamente e neutroni elettricamente neutri, tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Intorno al nucleo c'è una nuvola di elettroni che occupano livelli energetici o gusci discreti. Questi elettroni sono responsabili delle proprietà magnetiche di un atomo.
Quando un elettrone orbita attorno al nucleo, produce un campo elettrico variabile che, secondo le equazioni di Maxwell, genera un campo magnetico. L’intensità del campo è uguale all’area all’interno dell’orbita moltiplicata per la corrente. Ogni elettrone contribuisce con una minuscola corrente e il momento magnetico risultante viene misurato in magnetoni di Bohr. In un atomo tipico, i campi magnetici di tutti gli elettroni orbitanti si annullano, lasciando un momento netto pari a zero.
Oltre al movimento orbitale, gli elettroni possiedono una proprietà intrinseca chiamata spin , che è cruciale nel determinare il comportamento magnetico. Lo spin non è una rotazione classica ma un momento angolare intrinseco. Gli elettroni con spin “su” hanno spin positivo, mentre quelli con spin “giù” hanno spin negativo.
Poiché lo spin tende ad essere sbilanciato, spesso produce un momento magnetico netto in un atomo, mentre i contributi orbitali possono annullarsi. Pertanto, lo spin domina sul movimento orbitale nel modellare le proprietà magnetiche.
Gli elettroni occupano i gusci in coppie con spin-up e spin-down, con conseguente momento magnetico netto pari a zero. Il più esterno, o valenza , shell determina il carattere magnetico di un elemento. Un elettrone spaiato in questo guscio crea un momento magnetico netto, rendendo l'elemento magnetico; gli elettroni di valenza completamente accoppiati portano al diamagnetismo.
Questa regola vale per la maggior parte degli elementi, sebbene alcuni metalli di transizione come il ferro (Fe) abbiano elettroni di valenza che possono risiedere in gusci energetici inferiori.
Poiché ogni circuito elettronico genera un campo magnetico, tutti i materiali presentano diamagnetismo. Quando viene applicato un campo magnetico esterno, le correnti indotte si oppongono al campo, una conseguenza della legge di Lenz. Questa debole repulsione è presente in ogni sostanza, ma spesso è troppo lieve per essere rilevata senza apparecchiature sensibili.
Il momento magnetico totale, J , è uguale alla somma del momento angolare orbitale e di spin. Quando J =0, l'atomo non è magnetico; quando J ≠0, è magnetico e richiede almeno un elettrone spaiato.
Esempi di metalli diamagnetici includono:
In un forte campo magnetico, un oggetto diamagnetico come un lingotto d'oro si orienterà perpendicolarmente alle linee del campo, dimostrando la sua sottile resistenza.
I metalli con almeno un elettrone spaiato nel guscio esterno sono paramagnetici. Si allineano con un campo magnetico esterno ma perdono questo allineamento una volta che il campo viene rimosso. I metalli paramagnetici comuni includono:
Sebbene non siano attratti da un magnete permanente, i loro momenti magnetici indotti possono essere rilevati con strumenti sensibili.
Il paramagnetismo non è esclusivo dei metalli. Molecole come O₂ lo presentano, mentre anche i non metalli come il calcio sono paramagnetici. Una dimostrazione classica prevede il posizionamento di ossigeno liquido tra i poli di un potente elettromagnete; l'ossigeno risale i poli e vaporizza, formando una nube di gas visibile. Lo stesso esperimento con l'azoto liquido, che è diamagnetico, non mostra movimento.
Gli elementi ferromagnetici si magnetizzano in un campo esterno e successivamente mantengono quella magnetizzazione. La chiave è la presenza di più elettroni spaiati e la formazione di domini magnetici. Quando viene applicato un campo magnetico, i domini si allineano e l'allineamento persiste anche dopo la rimozione del campo, un fenomeno noto come isteresi, che può durare anni.
Gli elementi ferromagnetici includono:
I magneti permanenti ad alte prestazioni sono in genere magneti delle terre rare. I magneti al neodimio (NdFeB) e i magneti al samario-cobalto (SmCo) combinano un nucleo ferromagnetico con un elemento paramagnetico delle terre rare. Anche i magneti in ferrite (ossido di ferro) e alnico (AlNiCo) sono ferromagnetici ma generalmente più deboli.
Ogni materiale magnetico ha una temperatura caratteristica, il punto Curie , al di sopra del quale il suo ordine magnetico crolla. Per il ferro, il punto Curie è 770°C (1.418°F); per il cobalto sono 2.050°F (1.121°C). Al di sopra di queste temperature, il materiale diventa paramagnetico o diamagnetico. Il raffreddamento al di sotto del punto Curie ripristina il ferromagnetismo.
La magnetite (Fe₃O₄) è spesso descritta come ferromagnetica ma, in realtà, è ferrimagnetica. La sua struttura cristallina contiene due reticoli compenetranti, ottaedrico e tetraedrico, con momenti magnetici opposti ma disuguali, risultanti in un momento magnetico netto. Altri materiali ferrimagnetici includono il granato di ferro-ittrio e la pirrotite.
Al di sotto della temperatura Néel di un materiale , alcuni metalli, leghe e solidi ionici passano da paramagnetici ad antiferromagnetici, perdendo la loro risposta ai campi magnetici esterni. Nell'antiferromagnetismo, gli spin vicini si allineano in modo antiparallelo, annullandosi a vicenda.
Le temperature Néel possono essere estremamente basse (≈–150°C) o vicine alla temperatura ambiente, a seconda del composto. Solo pochi elementi, come il cromo e il manganese, mostrano antiferromagnetismo. Notevoli composti antiferromagnetici includono l'ossido di manganese (MnO), alcune forme di ossido di ferro (Fe₂O₃) e la ferrite di bismuto (BiFeO₃).
All'aumentare della temperatura, l'ordine antiferromagnetico si indebolisce, raggiungendo un picco di risposta paramagnetica alla temperatura di Néel prima che l'agitazione termica diminuisca l'allineamento.
Sebbene la maggior parte dei metalli di uso quotidiano siano ferromagnetici o paramagnetici, la comprensione di queste classificazioni magnetiche rivela perché alcuni metalli rimangono inalterati dai magneti convenzionali.
