Ferromagnetismo

ll ferromagnetismo è un fenomeno per il quale alcuni materiali, come il ferro, formano magneti permanenti o sono attratti dai magneti. Il termine ferromagnetismo deriva dalla parola ferro, il primo metallo ad essere scoperto dotato della proprietà di attrazione con i campi magnetici ed è una proprietà magnetica mostrata da alcuni materiali come, oltre al ferro, cobalto, nichel e lantanidi come gadolinio, disprosio e neodimio e loro leghe.

I materiali ferromagnetici hanno un momento magnetico permanente in assenza di un campo esterno. La loro suscettività magnetica, ovvero la costante di proporzionalità χ  che mette in relazione la magnetizzazione di un materiale, M , con l’intensità di un campo magnetico applicato, H tramite l’equazione χ·H  è molto elevata e superiore a 106.

calamita da Chimicamo
calamita

Il ferromagnetismo è causato quando gli elettroni spaiati all’interno degli atomi si allineano nella stessa direzione, portando ad un momento magnetico netto. Questo allineamento non avviene solo all’interno di un singolo atomo ma anche tra gli atomi vicini, portando a domini in cui tutti gli spin sono paralleli.

Il campo magnetico conduttore verrà quindi aumentato di un fattore elevato, solitamente espresso come permeabilità relativa del materiale. Quest’ultima grandezza esprime l’attitudine di un materiale a lasciarsi magnetizzare dal campo magnetico in cui è immersa. In particolare la permeabilità magnetica relativa è data dal rapporto tra la permeabilità assoluta di un materiale e  la permeabilità nel vuoto.

Cause del ferromagnetismo

Le cause del ferromagnetismo possono essere spiegate tramite i domini di Weiss dovuti al fisico francese Pierre-Ernest Weiss che propose questa teoria nel 1907 che si basa sui seguenti postulati:

  • Un materiale ferromagnetico è suddiviso in un gran numero di piccole regioni chiamate domini
  • In ciascun dominio i momenti magnetici hanno la stessa direzione
  • Il momento magnetico varia da dominio a dominio e la magnetizzazione netta è pari a zero
  • In assenza di campo magnetico esterno tutti i momenti magnetici hanno direzione diversa
allineamento spin da Chimicamo
allineamento spin

Quando viene applicato un campo magnetico si verificano due processi con il movimento delle pareti del dominio e con la rotazione dei domini. Quando viene applicato un debole campo magnetico, i dipoli nei domini si allineano in modo parallelo al campo magnetico applicato e l’area del dominio aumenta mediante il movimento delle pareti del dominio.

Se il campo magnetico applicato viene aumentato, i domini ruotano parallelamente alla direzione del campo mediante la rotazione dei domini.

Il ferromagnetismo è dovuto ad alcuni principi della fisica ovvero lo spin degli elettroni spaiati necessario a consentire l’allineamento parallelo degli spin atomici, l’interazione di scambio che consente un allineamento parallelo energeticamente favorevole all’interno di un reticolo e la magnetizzazione spontanea che verifica al di sotto di una certa temperatura chiamata punto di Curie.

Ferromagnetismo e punto di Curie

Il punto di Curie è la temperatura al di sopra della quale i materiali ferromagnetici perdono la magnetizzazione poiché l’energia termica diventa maggiore dell’interazione di scambio. Al di sotto di tale temperatura i domini si allineano per creare un momento magnetico netto attraverso il materiale.

Al di sopra di quella temperatura, i domini si randomizzano e il momento magnetico netto scompare e il materiale non è più un materiale ferromagnetico, ma diventa un materiale paramagnetico. Al raggiungimento della temperatura di Curie, un materiale magnetico infatti raggiunge un punto critico quando i momenti magnetici intrinseci al suo interno cambiano direzione.

Conoscere la temperatura operativa massima è uno dei numerosi fattori da considerare quando si seleziona un magnete per una determinata applicazione.

Applicazioni

I materiali ferromagnetici trovano impiego in un’ampia gamma di applicazioni grazie alle loro forti proprietà magnetiche nei magneti permanenti, elettromagneti, dispositivi di archiviazione dati magnetici, processi di separazione magnetica per rimuovere contaminanti magnetici.

Gli elettromagneti sono solitamente costituiti da filo avvolto in una bobina. Quando la corrente elettrica attraversa il filo le cariche in movimento creano campi magnetici mentre quando l’elettricità smette di fluire, le bobine non agiscono più come un magnete. Gli elettromagneti vengono utilizzati in molti dispositivi elettronici quando le forze magnetiche sono necessarie solo per brevi periodi di tempo come motori, generatori, trasformatori e interruttori magnetici.

magnete permanente da Chimicamo
magnete permanente

I materiali ferromagnetici vengono utilizzati per creare magneti permanenti, che mantengono la loro magnetizzazione anche in assenza di un campo magnetico esterno. I magneti permanenti sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni, inclusi motori elettrici, generatori, sensori magnetici e dispositivi di memorizzazione magnetica.

I materiali ferromagnetici vengono utilizzati nei dispositivi di archiviazione dati magnetici, come unità di disco rigido e nastri magnetici. Questi dispositivi memorizzano i dati magnetizzando piccole regioni di un materiale ferromagnetico per rappresentare informazioni binarie.

Un ulteriore uso è nei processi di separazione magnetica per rimuovere contaminanti magnetici o per concentrare materiali magnetici da una miscela. Questa tecnica è comunemente impiegata nei settori minerario, del riciclaggio e della gestione dei rifiuti.

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