Diamagnetismo

Il diamagnetismo è un magnetismo indotto che si verifica quando i materiali sono esposti a un forte campo magnetico esterno. Il diamagnetismo è una conseguenza della legge di Lenz secondo la quale se il flusso magnetico racchiuso in un circuito di corrente viene modificato dall’applicazione di un campo magnetico, viene indotta una corrente in una direzione tale che il campo magnetico corrispondente si oppone al campo applicato.

I materiali diamagnetici creano un debole campo magnetico nella direzione opposta in presenza di un campo magnetico esterno. Il risultato è che il materiale viene respinto dal campo magnetico anziché attratto da esso, come con i materiali paramagnetici e ferromagnetici.

L’elettrone che ruota nell’orbita attorno al nucleo di un atomo equivale a una corrente e possiede un momento magnetico. Se l’orientamento delle orbite elettroniche è tale che la somma vettoriale del momento magnetico è zero, quindi non si ha momento magnetico risultante.

Quando viene applicato un campo magnetico esterno, la velocità degli elettroni cambia e il momento magnetico si sviluppa in una direzione opposta a quella del campo magnetico applicato e la sostanza si comporta come un diamagnete.

Cause del diamagnetismo

Il diamagnetismo è una proprietà esibita da alcuni atomi, elementi e molecole dovuta al movimento orbitale degli elettroni la cui configurazione elettronica ha un ruolo cruciale nel determinare le sue proprietà diamagnetiche. La disposizione degli elettroni negli orbitali atomici o molecolari influenza infatti direttamente il loro comportamento magnetico.

materiali diamagnetici da Chimicamo
materiali diamagnetici

Il diamagnetismo, scoperto nel 1778 dal fisico olandese Anton Brugmans, si verifica quando tutti gli elettroni di un atomo sono accoppiati negli orbitali. Quando sottoposti ad un campo magnetico applicato, gli elettroni riallineano il loro movimento orbitale in modo che i loro momenti magnetici siano opposti al campo esterno.

Di conseguenza, viene generata una debole forza repulsiva tra gli atomi diamagnetici e il campo magnetico esterno. È importante notare che il diamagnetismo è inerente a tutti gli atomi. Tuttavia, diventa più evidente quando non sono presenti elettroni spaiati.

Esempi

Tutti i materiali sono diamagnetici, nel senso che in un campo magnetico la corrente dell’elettrone orbitante genera una debole forza repulsiva. Alcuni materiali, tuttavia, hanno qualità paramagnetiche più forti che superano le loro naturali qualità diamagnetiche.

L’elemento che ha maggiori proprietà diamagnetiche è il bismuto che ha configurazione elettronica [Xe] 6s2, 4f14,5d10, 6p3 e quindi ad eccezione dei tre elettroni spaiati nel livello 3p ha tutti elettroni appaiati. Pertanto, il suo diamagnetismo supera le sue tendenze paramagnetiche.

Un altro esempio di materiale diamagnetico è il rame che ha configurazione elettronica [Ar] 4s1 3d10 , che ha tutti gli elettroni accoppiati nell’orbitale 3d e un elettrone spaiato nell’orbitale 4s. La presenza di elettroni accoppiati nell’orbitale 3d supera l’effetto paramagnetico dell’elettrone spaiato nell’orbitale 4s, portando ad un comportamento diamagnetico complessivo nel rame.

molecola di acqua da Chimicamo
molecola di acqua

Altri esempi di elementi diamagnetici sono il mercurio, l’argento, il carbonio e il piombo.  Con la teoria degli orbitali molecolari si possono prevedere le proprietà diamagnetiche delle molecole. Ad esempio la molecola di acqua ha tutti gli otto elettroni accoppiati negli orbitali molecolari, risultando in uno spin netto pari a zero.

Analogamente anche la molecola di azoto è diamagnetica. Anche se ogni atomo di azoto ha tre elettroni spaiati, ma nella molecola di N2 tutti gli elettroni sono accoppiati così come avviene per la molecola di fluoro F2 in cui non ci sono elettroni spaiati.

Levitazione diamagnetica

La levitazione diamagnetica avviene avvicinando un materiale diamagnetico a un materiale che produce un campo magnetico. Il materiale diamagnetico respingerà il materiale che produce il campo magnetico. Generalmente, però, questa forza repulsiva non è abbastanza forte da superare la forza di gravità sulla superficie terrestre. Per provocare la levitazione diamagnetica, sia il materiale diamagnetico che il materiale magnetico devono produrre una forza repulsiva combinata per superare la forza di gravità.

Per raggiungere questo obiettivo si possono utilizzare elettromagneti che sono in grado di produrre campi magnetici estremamente forti. I progressi nello sviluppo di magneti permanenti e la scoperta di materiali diamagnetici come la grafite pirolitica hanno consentito la levitazione diamagnetica posizionando un sottile pezzo di grafite pirolitica su un potente magnete di terre rare. Si verifica che la grafite pirolitica viene levitata sopra il magnete.

levitazione diamagnetica da Chimicamo
levitazione diamagnetica

Gli sviluppi nei materiali superconduttori hanno consentito la levitazione diamagnetica. Un superconduttore, infatti, non consente al campo magnetico di penetrare al suo interno ma fa fluire correnti che generano un campo magnetico all’interno del superconduttore che bilancia il campo che altrimenti penetrerebbe nel materiale. Posizionando un potente magnete permanente sopra un superconduttore, il magnete leviterà.

Un altro metodo utilizza una combinazione di magneti di terre rare e un materiale diamagnetico come grafite di carbonio o bismuto. Attraverso l’uso di un magnete di polarizzazione o di compensazione, un piccolo magnete di terre rare può essere fatto levitare sopra un pezzo di materiale diamagnetico.

Nei treni levitazione magnetica o Maglev, vengono utilizzati potenti magneti superconduttori per creare un forte campo magnetico e il treno stesso è dotato di materiali diamagnetici, tipicamente sotto forma di magneti o rivestimenti. Questi materiali respingono il campo magnetico generato dai binari, facendo levitare il treno sopra di essi. Questa modalità di trasporto praticamente priva di attriti riduce il consumo di energia e consente velocità significativamente più elevate rispetto ai sistemi ferroviari tradizionali.

 

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