1.

Introduzione

Ferromagnetismo Proprietà tipica di determinate sostanze che in presenza di un campo magnetico esterno acquisiscono un’intensa magnetizzazione e sono in grado di conservarla anche dopo l’allontanamento dal campo esterno. Alcune delle più note sostanze ferromagnetiche sono il ferro, il cobalto e il nichel. Le proprietà di questi materiali vengono sfruttate per la realizzazione di magneti permanenti.

2.

I domini di Weiss

Come le sostanze paramagnetiche, anche quelle ferromagnetiche possiedono un momento magnetico proprio. Questo significa che a livello atomico, il numero e la disposizione degli elettroni negli orbitali sono tali da creare un effetto magnetico permanente, rilevabile. A differenza delle sostanze paramagnetiche, tuttavia, in quelle ferromagnetiche si osserva una tendenza degli atomi adiacenti ad accoppiare i rispettivi momenti magnetici. In pratica, gli atomi sono organizzati in piccoli gruppi – i cosiddetti domini di Weiss – microscopiche aree di materiale all’interno delle quali i momenti magnetici sono orientati tutti nella stessa direzione; tali domini hanno dimensioni variabili tra i 10^-8 e i 10^-12 m³, e contengono un numero di atomi compreso tra 10¹⁷ e 10²¹. In assenza di un campo magnetico esterno, l’orientazione dei domini di Weiss è casuale e tale da non produrre alcun effetto magnetico macroscopico; quando, invece, il materiale viene sottoposto all’azione di un campo magnetico esterno, i domini orientati nella direzione del campo si allargano a spese degli altri, fino a quando il materiale risulta uniformemente magnetizzato.

3.

Il ciclo di isterèsi

Riducendo l’intensità del campo esterno, la magnetizzazione del materiale si riduce progressivamente, ma a un ritmo minore rispetto a quello con cui era aumentata. Se si rappresenta in un sistema di riferimento cartesiano la magnetizzazione di un materiale ferromagnetico in funzione del campo magnetico applicato, questo comportamento corrisponde al fatto che nel grafico, la curva di smagnetizzazione non coincide con quella di prima magnetizzazione: si dice che il materiale presenta un’isterèsi magnetica.

Grazie a questo singolare comportamento, azzerando il campo magnetico esterno la sostanza non si smagnetizza completamente, ma conserva una magnetizzazione residua, di entità variabile da sostanza a sostanza. Le calamite, infatti, una volta magnetizzate, manifestano la propria capacità di attirare oggetti metallici a prescindere dalla presenza o meno di un campo magnetico esterno.

Per smagnetizzare una calamita, è necessario sottoporla a un nuovo campo magnetico, orientato in senso opposto al primo. All’aumentare della sua intensità, la magnetizzazione si riduce fino ad annullarsi. Il valore del campo magnetico che produce la totale smagnetizzazione della calamita prende il nome di campo di coercizione.

Se poi si aumenta ulteriormente l’intensità del campo di coercizione, si può magnetizzare il materiale ferromagnetico in senso opposto rispetto a quello della prima magnetizzazione. In questo modo, riportando sul grafico tutte le trasformazioni prodotte, si ottiene quello che si chiama il “ciclo di isteresi magnetica” del materiale. La sua forma, più o meno allungata, dipende dalle caratteristiche specifiche della sostanza; più precisamente, dipende da un parametro fisico detto permeabilità magnetica. In riferimento a questo parametro, il comportamento dei materiali ferromagnetici si descrive anche dicendo che la loro permeabilità magnetica non è costante, ma variabile a seconda del campo magnetico applicato.

4.

La temperatura di Curie

Il comportamento descritto per le sostanze ferromagnetiche si osserva quando esse si trovano al di sotto di una temperatura specifica, detta punto di Curie. Come scoperto da Pierre Curie nel 1895, al di sopra di questa temperatura, il moto di agitazione termica fa sì che venga meno l’accoppiamento tra gli atomi dei domini di Weiss, e che quindi il materiale perda le sue proprietà ferromagnetiche; esso si riduce pertanto a un semplice materiale paramagnetico, capace di magnetizzarsi, ma in misura minore e, in ogni caso, in modo non permanente. Per il ferro, la temperatura di Curie è di circa 770 °C, per il nichel, di 365 °C, per il cobalto, di 1075 °C, per il gadolinio, di 15 °C.