Magnetismo

3.2

Le teorie dell’elettricità e del magnetismo

A partire dalla fine del XVIII secolo le teorie dell'elettricità e del magnetismo furono sviluppate contemporaneamente. Nel 1819 il fisico danese Hans Christian Ørsted osservò che un filo conduttore percorso da corrente elettrica esercita una forza su un ago magnetico posto nelle vicinanze. A questa scoperta, che portò un'ulteriore prova della relazione tra elettricità e magnetismo, fecero seguito gli studi di André-Marie Ampère sulle forze agenti tra fili percorsi da corrente, e di Dominique-François-Jean Arago, che magnetizzò un pezzo di ferro semplicemente ponendolo nelle vicinanze di un filo percorso da corrente elettrica. Nel 1831 il britannico Michael Faraday scoprì che una variazione del flusso del campo magnetico attraverso un conduttore può indurre una corrente elettrica al suo interno: l'effetto contrario fu poi osservato da Ørsted, il quale, sulla base dei suoi precedenti esperimenti, concluse che una corrente elettrica che circola in un filo conduttore genera a sua volta un campo magnetico.

3.3

La teoria dell’elettromagnetismo

A James Clerk Maxwell si deve la formulazione organica dell'elettromagnetismo, sintetizzata nelle celebri quattro equazioni che descrivono in modo correlato fenomeni elettrici e magnetici. Egli predisse inoltre l'esistenza delle onde elettromagnetiche e riconobbe la natura elettromagnetica della luce.

Gli studi successivi furono volti a individuare le origini atomiche e molecolari delle proprietà magnetiche della materia. Nel 1905 Paul Langevin diffuse una teoria che giustificava la dipendenza delle proprietà magnetiche di alcune sostanze dalla temperatura. Questa teoria fu uno dei primi esempi di descrizione di fenomeni macroscopici in termini di proprietà atomiche, e quindi microscopiche. In seguito, gli studi di Langevin furono ampliati dal fisico francese Pierre-Ernst Weiss, a cui si deve la teoria del ferromagnetismo e, in particolare, il modello dei domini ferromagnetici (detti anche domini di Weiss).

3.4

Gli sviluppi del XX secolo

Dopo la pubblicazione della teoria di Weiss, iniziarono numerosi e dettagliati studi sulle proprietà magnetiche della materia. Con il modello atomico di Niels Bohr si comprese l'origine delle spiccate proprietà magnetiche degli elementi di transizione, come il ferro e gli elementi delle terre rare. I fisici Samuel Abraham Goudsmit e George Eugene Uhlenbeck dimostrarono nel 1925 che l'elettrone è dotato di spin, e che il suo comportamento è riconducibile a quello di una barretta magnetica con momento magnetico definito. Nel 1927 il fisico tedesco Werner Heisenberg fornì una dettagliata spiegazione per la teoria del campo molecolare di Weiss, sulla base dei principi della meccanica quantistica appena sviluppata.

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Proprietà magnetiche dei materiali

Sulla base delle proprietà magnetiche, i materiali vengono classificati in tre categorie: diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. I primi, in presenza di un campo magnetico esterno, manifestano una debole magnetizzazione diretta in senso opposto rispetto al campo inducente; i secondi manifestano una debole magnetizzazione concorde al verso del campo indicente; gli ultimi, quelli ferromagnetici, reagiscono invece con un’intensa magnetizzazione di segno concorde al campo inducente, magnetizzazione che conservano anche dopo l’allontanamento dalla sorgente del campo.

In seguito al riconoscimento dell’origine atomica delle proprietà magnetiche, sono state individuate nuove famiglie di materiali, caratterizzate da proprietà magnetiche meno evidenti e di natura più complessa di quelle già note. Ad esempio, si conoscono oggi sostanze per le quali risulta energeticamente favorevole che i momenti magnetici di atomi adiacenti siano allineati in modo antiparallelo: sono le cosiddette sostanze antiferromagnetiche. L’intensità di magnetizzazione che ne risulta è molto debole e, in ogni caso, esiste una temperatura critica, analoga alla temperatura di Curie delle sostanze ferromagnetiche, al di sopra della quale le proprietà antiferromagnetiche scompaiono per lasciare spazio a quelle paramagnetiche.

Nelle sostanze cosiddette ferrimagnetiche, invece, esistono a livello atomico due tipi diversi di momento magnetico, orientati in senso opposto e di differente intensità. La combinazione dei due, quindi, non produce un momento magnetico netto nullo, bensì diverso da zero, che conferisce al materiale proprietà macroscopiche intermedie tra quelle delle sostanze antiferromagnetiche e quelle delle sostanze ferromagnetiche. Un esempio di questo tipo di materiali è la magnetite; essa contiene infatti due tipi diversi di ione ferro, ciascuno caratterizzato da un momento magnetico differente.

Sia le sostanze ferromagnetiche che quelle ferrimagnetiche presentano un comportamento caratteristico detto isteresi: quelle che manifestano un’isteresi poco accentuata sono dette “dolci”; quelle che presentano un’isteresi più marcata sono dette “dure”.

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Applicazioni

Innumerevoli sono le applicazioni tecnologiche dei fenomeni magnetici. L'elettrocalamita, ad esempio, costituisce la base del motore elettrico e del trasformatore. Di fondamentale importanza sono poi le applicazioni nel campo dell’informatica e dell’elettronica, come i sistemi di memorizzazione dei dati su nastri e dischi.

Nel campo dei trasporti, i treni a levitazione magnetica sfruttano le proprietà magnetiche per scorrere sulle rotaie senza attrito. In campo medico, si applica comunemente un metodo diagnostico basato sulla risonanza magnetica nucleare. Infine, nel campo della ricerca, negli attuali acceleratori di particelle si usano giganteschi magneti superconduttori per mantenere i fasci ben focalizzati e farli viaggiare su traiettorie ben definite.