Sostanze diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche - Magnetismo nella materia

FiorellaGrasso
di FiorellaGrasso
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Scopri come le sostanze reagiscono in un campo magnetico, analizzando le differenze tra materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. Approfondisci le loro caratteristiche, comportamenti e applicazioni pratiche nel magnetismo della materia.

Concetti Chiave

  • La magnetizzazione delle sostanze varia a seconda della loro natura: diamagnetiche, paramagnetiche o ferromagnetiche, ognuna con comportamenti distintivi in presenza di un campo magnetico.
  • Le sostanze diamagnetiche, come rame e acqua, si respingono debolmente in un campo magnetico e presentano un campo magnetico interno opposto e proporzionale a quello esterno.
  • Le sostanze paramagnetiche, come alluminio e ossigeno, si attraggono debolmente in un campo magnetico e mostrano un campo magnetico interno che ha lo stesso verso di quello esterno.
  • Le sostanze ferromagnetiche, come il ferro e il nichel, sono caratterizzate da una forte attrazione magnetica, con un comportamento differente rispetto alle altre due categorie.
  • Al raggiungimento della temperatura critica, le sostanze ferromagnetiche si comportano come diamagnetiche, perdendo la loro intensa attrazione magnetica.

Fin dai primi studi sul magnetismo, diversi fisici tentarono di scoprire quali fossero le relazioni tra questo e altre semplici sostanze (acqua, metalli ecc...), quindi, come queste reagissero in presenza di un campo magnetico.
Prendendo a modello la struttura dell'atomo, si è paragonato il moto degli elettroni intorno al nucleo a quello di cariche in moto in una spira generanti
un campo magnetico che chiameremo B totale (Btot della sostanza). Gli
elettroni,ruotando intorno ai propri assi, generano campi magnetici B (spin)
che, sommati, ne danno uno totale diverso o pari a zero. Nel primo caso, avremo
a che fare con una sostanza magnetizzata .
Immaginiamo quindi di avere un campo magnetico B, generato da un solenoide attraversato da una corrente I, e immergiamovi un campione di una sostanza qualsiasi. Possiamo distinguere tre casi:

    1) La sostanza immersa si magnetizza e viene respinta debolmente : in questo caso ci ritroviamo dinanzi ad una sostanza diamagnetica (es. rame, acqua, argento).
    Indichiamo quindi con
    Bo il campo magnetico del solenoide
    Bm quello della sostanza
    tenendo conto che Btot = Bo+Bm
    Sperimentalmente si osserva che:
    a) Bm è presente solo se è presente Bo;
    b) Bm e Bo hanno verso opposto;
    c) Bm è proporzionale a Bo ed ha un'entità molto piccola.
    2) Invece, le sostanze che, magnetizzandosi, vengono attratte debolmente , sono dette paramagnetiche (es. alluminio, ossigeno).
    Si osserva che:
      a) Bm è presente solo se abbiamo Bo;
      b) Bm e Bo hanno lo stesso verso;
      c) Bm è proporzionale a Bo ed ha un'entità molto piccola.
Volendo calcolare in ambo i casi il campo magnetico totale, utilizziamo la formula:

[math]Btot=µrBo[/math]

dove µr è la permeabilità magnetica relativa , è adimensionale e varia in base alla sostanza. Infatti nelle sostanze diamagnetiche ha un valore che si approssima a 1 per difetto, nelle paramagnetiche è approssimabile ad 1 per eccesso.
    3) Infine abbiamo le sostanze ferromagnetiche su cui agirà una forza attrattiva abbastanza intensa . Alcuni esempi di sostanze ferromagnetiche sono la magnetite, il nichel, il ferro ecc.
    Sperimentalmente si osserva che:
      a) Bm non è proporzionale a Bo
      b) µr ha un valore alto, ma non costante.

    Se le sostanze ferromagnetiche vengono riscaldate in modo da raggiungere la temperatura critica (o di Curie, dal nome del suo scopritore), queste si comportano al pari delle sostanze diamagnetiche.

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Domande da interrogazione

  1. Quali sono le differenze tra sostanze diamagnetiche e paramagnetiche in presenza di un campo magnetico?

    2. Le sostanze diamagnetiche, come rame e acqua, si magnetizzano e vengono respinte debolmente, mentre le sostanze paramagnetiche, come alluminio e ossigeno, si magnetizzano e vengono attratte debolmente. Entrambi i tipi di sostanze mostrano una relazione con il campo magnetico del solenoide, ma con direzioni opposte (B diamagnetico è opposto a B del solenoide, mentre B paramagnetico ha la stessa direzione).

  2. Come si calcola il campo magnetico totale per sostanze diamagnetiche e paramagnetiche?

    3. Il campo magnetico totale si calcola utilizzando la formula \(B_{tot} = \mu_r B_o\), dove \(\mu_r\) è la permeabilità magnetica relativa. Nelle sostanze diamagnetiche, \(\mu_r\) si avvicina a 1 per difetto, mentre nelle sostanze paramagnetiche si avvicina a 1 per eccesso.

  3. Cosa accade alle sostanze ferromagnetiche quando vengono riscaldate oltre la temperatura critica?

    4. Quando le sostanze ferromagnetiche, come magnetite e ferro, vengono riscaldate fino alla temperatura critica (o di Curie), esse si comportano come sostanze diamagnetiche, perdendo la loro forte attrazione magnetica.

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