Domande sul ferromagnetismo

Qual è la differenza tra materiali "ferromagnetici" e "magnetici"?

I termini "magnetico" e "ferromagnetico" sono spesso usati come sinonimi, anche se ciò non è del tutto corretto da un punto di vista tecnico.

È un materiale o un oggetto "ferromagnetico" se un magnete vi aderisce. Quindi, se un magnete si attacca a un martello, il martello può essere definito ferromagnetico. Nel linguaggio comune, spesso si parla erroneamente di oggetto magnetico.

Quali oggetti sono attratti da un magnete?

I magneti attraggono solo materiali ferromagnetici (vedi spiegazione sopra). È irrilevante che si tratti di un magnete di ferrite, di un magnete al neodimio o di un elettromagnete.

Questi includono:
- Ferro (Fe)
- Nichel (Ni)
- Cobalto (Co)

Nota: spesso ci viene chiesto se l'acciaio inossidabile o l'alluminio sono ferromagnetici, cioè se sono attratti da un magnete.

L'alluminio è un metallo paramagnetico e viene attratto solo molto debolmente da un magnete, quindi non è adatto a un magnete.

Per quanto riguarda l'acciaio inossidabile, non è possibile rispondere a questa domanda in termini generali, poiché esistono diversi tipi e composizioni di acciaio inossidabile. Se si tratta di acciaio inossidabile ferromagnetico, viene chiamato anche acciaio ferritico. Al contrario, l'acciaio austenitico di solito non è ferromagnetico.

Esistono anche alcune terre rare, alcune delle quali sono ferromagnetiche solo a temperature molto più basse. A temperatura ambiente sono solo paramagnetiche (vedi spiegazione sotto). Sono quindi attratti solo molto debolmente dai magneti:
- Terbio (Tb)
- Erbio (Er)
- Gadolinio (Gd)
- Olmio (Ho)
- Disprosio (Dy)

Ferromagnetismo

I materiali ferromagnetici (ferro, cobalto, nichel a temperatura ambiente, o leghe speciali) leghe speciali) sono materiali che presentano una magnetizzazione spontanea in un campo magnetico esterno e sono quindi attratti dal campo magnetico. In questo caso, i magneti elementari già presenti nel materiale ferromagnetico vengono allineati dal campo magnetico esterno. Quando il campo magnetico esterno viene spento o il materiale ferromagnetico viene rimosso dal campo magnetico, l'allineamento dei magneti elementari scompare, ad eccezione di una magnetizzazione residua (rimanenza). Nei materiali magneticamente morbidi, questa rimanenza è molto piccola. La causa effettiva del ferromagnetismo non può, a rigore, essere descritta in modo classico; per questo è necessaria la meccanica quantistica, più precisamente la cosiddetta interazione di scambio, responsabile dell'allineamento parallelo degli spin degli elettroni nei materiali ferromagnetici. Tuttavia, poiché gli elettroni con lo stesso spin devono differire nel loro stato locale (principio di Pauli), un allineamento degli spin è accompagnato da un aumento dell'energia cinetica. Solo se la riduzione dell'energia potenziale dovuta all'interazione di scambio supera l'aumento dell'energia cinetica, gli spin degli elettroni come portatori dei momenti magnetici possono essere rettificati e il materiale diventa così ferromagnetico. Questo è il motivo per cui la stragrande maggioranza degli elementi chimici conosciuti non presenta ferromagnetismo. Come già detto, solo il ferro, il cobalto e il nichel presentano questa proprietà ferromagnetica come elementi chimici puri a temperatura ambiente.
Al contrario, tutti gli elementi e le sostanze presentano le cosiddette proprietà diamagnetiche.

Paramagnetismo

Nel caso di sostanze paramagnetiche, un campo magnetico esterno allinea parzialmente i momenti magnetici non ordinati delle molecole. Il grado di allineamento e quindi il campo magnetico indotto è proporzionale al campo magnetico applicato (permeabilità magnetica >1), ma questo campo scompare immediatamente dopo lo spegnimento del campo magnetico esterno.
Come le sostanze ferromagnetiche, le sostanze paramagnetiche sono attirate nell'area di maggiore intensità del campo, cioè nel campo magnetico.
Tuttavia, il paramagnetismo è significativamente più debole del ferromagnetismo.
Il paramagnetismo si verifica solo in elementi/molecole con elettroni spaiati e un momento magnetico.
La spiegazione fisica causale è ancora una volta fornita dai processi meccanici quantistici.

Diamagnetismo

Il diamagnetismo si verifica in tutti gli elementi e sostanze. Tuttavia, poiché il diamagnetismo è più debole di ordini di grandezza rispetto al ferro e al paramagnetismo, è misurabile solo in sostanze che non presentano ferro e paramagnetismo.
Le sostanze diamagnetiche sono spinte fuori da un campo magnetico nella direzione di un'intensità di campo inferiore. I diamagneti sono caratterizzati da una permeabilità magnetica <1 (suscettibilità magnetica negativa). Ciò significa che il fattore di proporzionalità tra il campo indotto e quello esterno è <1.
Per confronto: per le sostanze paramagnetiche è >1, per i ferromagneti la relazione non è lineare.
Come il ferromagnetismo, il diamagnetismo può essere spiegato solo da effetti di meccanica quantistica.