Magnetizzazione

Se la materia è esposta a un campo magnetico, si verifica sempre una magnetizzazione. La magnetizzazione crea un campo magnetico aggiuntivo nella materia, che si sovrappone al campo magnetico esterno. Si distingue tra materiali con proprietà diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche.

Se la magnetizzazione è allineata con il campo magnetico esterno, si parla di paramagnetismo. Nei corpi ferromagnetici, la magnetizzazione è anch'essa allineata con il campo magnetico esterno, ma è molto più stabile che nei paramagneti semplici grazie a un'interazione speciale, la cosiddetta interazione di scambio.

Nei materiali diamagnetici, la magnetizzazione è diretta in direzione opposta al campo magnetico esterno. La forte magnetizzazione è particolarmente evidente nei materiali ferromagnetici (ad esempio il ferro). Questo può essere facilmente verificato in un esperimento.

Esperimento sulla magnetizzazione dei materiali ferromagnetici

Se un oggetto ferroso (ad esempio un paio di forbici) viene esposto al forte campo magnetico di un magnete, si può osservare che le forbici possono attrarre, ad esempio, spilli ferrosi, anche se il magnete è già stato rimosso dalle forbici. Questa magnetizzazione residua è chiamata rimanenza.

Quantificazione della magnetizzazione tramite la permeabilità magnetica

La magnetizzazione M che si verifica in presenza di un determinato campo magnetico esterno è quantificata attraverso la permeabilità magnetica μ.

In termini semplici, si può immaginare che la permeabilità μ indichi quanto fortemente cambia il campo magnetico H a causa dell'influenza della materia quando viene applicato un campo magnetico esterno H₀. Vale quanto segue: H=μ•H₀. Il campo magnetico H, a sua volta, è la somma del campo magnetico applicato esternamente H₀ e della magnetizzazione del corpo M: H=H₀+M. Per la magnetizzazione vale quindi quanto segue:

M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀
La permeabilità del vuoto è μ=1. Ciò significa che il vuoto non può essere magnetizzato. La magnetizzazione M del vuoto è M=0.

Le sostanze paramagnetiche hanno una permeabilità leggermente superiore a 1. La permeabilità dei materiali diamagnetici è leggermente inferiore a 1, il che significa che la magnetizzazione è negativa. Ciò significa che è diretta in direzione opposta al campo esterno H₀. La permeabilità di un superconduttore è μ=0. La magnetizzazione di un superconduttore è quindi diretta nella direzione opposta al campo esterno ed è grande quanto il campo esterno. Di conseguenza, l'interno del superconduttore è privo di campo e il superconduttore galleggia nel campo magnetico.

I ferromagneti possono avere valori di permeabilità molto elevati. Nel ferro, μ può raggiungere valori fino a 10 000; ferromagneti speciali, i cosiddetti metalli amorfi, raggiungono valori di μ = 150 000. Con permeabilità così grandi, la magnetizzazione in un campo magnetico esterno H₀ è circa M ≈ μ•H₀.

Causa fisica della magnetizzazione

Per comprendere la causa fisica della magnetizzazione, si può immaginare che ogni sostanza sia costituita da atomi con nuclei atomici ed elettroni. Gli elettroni sono i principali responsabili degli effetti di magnetizzazione.

Se si applica un campo magnetico esterno, si inducono movimenti degli elettroni, cioè correnti, sotto l'influenza di questo campo magnetico. Questo provoca il diamagnetismo (vedi figura). Secondo la legge di Lenz, queste correnti sono dirette in modo da contrastare la loro causa. La magnetizzazione del materiale è quindi diretta in direzione opposta al campo esterno. Tuttavia, è possibile che al diamagnetismo del materiale si sovrappongano ulteriori proprietà paramagnetiche o ferromagnetiche. Questo perché gli elettroni hanno un cosiddetto spin dell'elettrone, che ha proprietà magnetiche. Gli spin degli elettroni formano magneti elementari nel materiale. Lo spin ha un momento magnetico fisso. Se non tutti gli spin degli elettroni su ogni singolo atomo sono compensati da un elettrone con spin opposto (di solito nei materiali con un numero pari di elettroni per atomo), allora i momenti magnetici di questi spin possono allinearsi nel campo magnetico esterno. In questo caso, il campione stesso si comporta come un magnete. La magnetizzazione è allineata al campo esterno.

Si parla di ferromagnete quando l'allineamento degli spin atomici è stabilizzato. Ciò è dovuto all'interazione di scambio. Ciascuno dei piccoli magneti elementari è stabilizzato nel suo allineamento. Il corpo rimane quindi sensibilmente magnetico nel suo insieme quando il campo magnetico esterno viene spento e si osserva la rimanenza. Nei paramagneti, invece, la magnetizzazione scompare immediatamente quando il campo esterno viene spento.

La smagnetizzazione di un corpo ferromagnetico magnetizzato può essere ottenuta se gli spin degli elettroni allineati vengono nuovamente mescolati.

Questo può essere ottenuto con il calore (riscaldamento al di sopra della cosiddetta temperatura di Curie), con forti urti o con un campo magnetico con polarizzazione opposta.