Cosa fa sì che i magneti attraggano gli oggetti e perché alcuni materiali sono magnetici mentre altri non lo sono? Questo articolo esplora le origini e le applicazioni del magnetismo, approfondendo le strutture atomiche e i diversi tipi di materiali magnetici. Scoprite la scienza che sta alla base del magnetismo e conoscete i vari usi dei materiali magnetici nella tecnologia moderna, dagli oggetti di uso quotidiano alle applicazioni industriali avanzate. La comprensione di questi principi vi permetterà di capire il ruolo fondamentale che il magnetismo svolge nel nostro mondo.
Il magnetismo affascina da tempo.
Più di 3.000 anni fa, i cinesi scoprirono in natura dei magneti naturali in grado di attrarre l'uno dall'altro o dei pezzi di ferro. Le persone usarono la loro ricca immaginazione per paragonare questo fenomeno alle cure amorevoli di una madre per il suo bambino.
Questo è stato registrato in "Lushi Chunqiu - Jiqiuji": "Le pietre gentili chiamano il ferro e ne sono attratte".
La bussola, una delle quattro grandi invenzioni antiche della Cina, è un esempio di come gli antichi cinesi utilizzassero il magnetismo.
Come sappiamo, una pietra magnetica è in realtà un minerale di ferro (solitamente magnetite Fe3O4). Sappiamo anche che il ferro può essere attratto e magnetizzato da una calamita.
Ma perché hanno il magnetismo o si magnetizzano?
Come si produce il magnetismo?
Per spiegare le proprietà macroscopiche del magnetismo nei materiali, dobbiamo partire dagli atomi e indagare sull'origine del magnetismo.
"La struttura determina le proprietà". Naturalmente, anche il magnetismo è determinato dalla struttura interna degli atomi della materia.
La relazione tra struttura atomica e magnetismo può essere riassunta come segue:
(1) La proprietà magnetica di un atomo deriva dallo spin e dal movimento orbitale degli elettroni.
(2) La presenza di elettroni non pieni all'interno dell'atomo è una condizione necessaria perché il materiale abbia magnetismo.
(3) L'"interazione di scambio" tra gli elettroni è la ragione fondamentale del magnetismo degli atomi.
Il magnetismo atomico è alla base dei materiali magnetici e il magnetismo atomico deriva dal momento magnetico degli elettroni.
Il movimento degli elettroni è la fonte del momento magnetico degli elettroni. Gli elettroni hanno un movimento rotazionale intorno al nucleo atomico e un movimento intrinseco di spin.
Pertanto, il momento magnetico degli elettroni è composto da due parti: il momento magnetico orbitale e il momento magnetico di spin.
Secondo la teoria dell'orbita atomica di Bohr, gli elettroni all'interno degli atomi si muovono intorno al nucleo atomico su una determinata orbita.
Il movimento degli elettroni lungo l'orbita corrisponde a una corrente circolare, che produrrà di conseguenza un momento magnetico orbitale.
Il piano del momento magnetico orbitale dell'elettrone in un atomo può assumere diverse direzioni, ma in un campo magnetico direzionale, la direzione dell'orbita dell'elettrone può essere solo in diverse direzioni fisse, cioè la direzione dell'orbita è quantizzata.
L'origine del magnetismo deriva dallo spin della carica dell'elettrone, noto come momento magnetico di spin dell'elettrone.
Sotto l'azione di un campo magnetico esterno, il momento magnetico di spin può essere solo parallelo o antiparallelo al momento magnetico orbitale.
In molti materiali magnetici, il momento magnetico di spin degli elettroni è più grande del momento magnetico orbitale degli elettroni.
Questo perché in un cristallo la direzione del momento magnetico orbitale dell'elettrone è modificata dal campo del reticolo cristallino e quindi non può formare un momento magnetico composito che si proietti all'esterno del materiale, portando a quello che viene comunemente definito "spegnimento" o "congelamento" del momento angolare orbitale e del momento magnetico orbitale.
Pertanto, il magnetismo di molti materiali allo stato solido non deriva principalmente dal momento magnetico orbitale degli elettroni, ma piuttosto dal momento magnetico di spin degli elettroni.
Naturalmente esiste anche un momento magnetico di spin nucleare, ma in genere è molto più piccolo del momento magnetico di spin degli elettroni (di tre ordini di grandezza), quindi può essere ignorato.
In un atomo, a causa del principio di esclusione di Pauli, non è possibile che due elettroni si trovino nello stesso stato.
In un'orbita possono essere ospitati al massimo due elettroni, quindi quando un'orbita è riempita di elettroni, i loro momenti magnetici di spin si annullano perché devono avere spin opposti.
Per far sì che l'atomo formi un momento magnetico all'esterno, deve esserci un'orbita elettronica non piena.
Naturalmente, come possiamo vedere dagli esempi, questa è solo una condizione necessaria. Metalli come il Cu, il Cr, il V e molti lantanidi hanno orbitali elettronici non riempiti, ma non presentano magnetismo (in particolare ferromagnetismo).
Prima di parlare dell'interazione di scambio degli elettroni, analizziamo la manifestazione macroscopica del magnetismo materiale.
In base alle diverse proprietà magnetiche evidenziate a livello macroscopico dalla sovrapposizione dell'azione dei momenti magnetici atomici, i materiali magnetici possono essere classificati come diamagnetici, paramagnetici, ferromagnetici, antiferromagnetici e ferrimagnetici.
(1) Diamagnetismo
Il diamagnetismo si riferisce al fatto che, in assenza di campo magnetico, il momento magnetico degli atomi con gusci di elettroni completamente riempiti è pari a zero, o il momento magnetico totale di alcune molecole è pari a zero, e non presenta magnetismo macroscopico.
Ma sotto l'azione di un campo magnetico, il moto orbitale degli elettroni produrrà un moto aggiuntivo, dando luogo a un momento magnetico indotto opposto alla direzione del campo magnetico esterno, ma con un valore molto piccolo.
Questo fenomeno è chiamato diamagnetismo.
I materiali diamagnetici più comuni sono Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, ecc.
(2) Paramagnetismo
Il paramagnetismo si riferisce al fatto che gli atomi hanno momenti magnetici che non si annullano completamente, e quindi hanno un momento magnetico totale.
Tuttavia, poiché la direzione dei momenti magnetici atomici è caotica, gli effetti esterni si annullano a vicenda e non si manifesta un magnetismo macroscopico.
Ma sotto l'azione di un campo magnetico esterno, ogni momento magnetico atomico si allinea più spesso con la direzione del campo magnetico e meno spesso contro di esso, il che può manifestarsi come un debole magnetismo a livello macroscopico. In effetti, il materiale è magnetizzato in questo modo.
Gli esperimenti dimostrano che più alta è la temperatura, più bassa è la magnetizzazione dei materiali paramagnetici. Questo perché il movimento termico distrugge l'orientamento regolare dei momenti magnetici atomici.
Più alta è la temperatura, maggiore è l'energia termica degli atomi, che rende più difficile l'allineamento dei momenti magnetici atomici con il campo magnetico esterno, e quindi la magnetizzazione è più bassa.
(3) Ferromagnetismo
Il ferromagnetismo si riferisce al fenomeno per cui atomi adiacenti possono essere allineati ordinatamente verso la direzione di un campo magnetico esterno grazie a interazioni reciproche.
In genere, i materiali ferromagnetici possono raggiungere un'elevata magnetizzazione anche in presenza di campi magnetici deboli; dopo la rimozione del campo magnetico esterno, possono ancora mantenere un forte magnetismo.
Perché i materiali ferromagnetici possono essere magnetizzati fino alla saturazione anche in campi magnetici deboli?
Questo perché i momenti magnetici atomici interni di questi materiali si sono già allineati in una certa direzione, senza l'azione di un campo magnetico esterno, il che viene comunemente chiamato magnetizzazione spontanea.
Questa magnetizzazione spontanea è suddivisa in piccole regioni e, all'interno di ciascuna regione, i momenti magnetici atomici sono paralleli tra loro. Queste piccole regioni sono chiamate domini magnetici.
Gli orientamenti della magnetizzazione spontanea dei vari domini magnetici all'interno del materiale sono diversi tra loro e annullano gli effetti reciproci all'esterno, per cui l'intero materiale non presenta un magnetismo macroscopico.
In altre parole, i materiali ferromagnetici sono composti da piccoli "magneti" disposti in modo irregolare e non presentano magnetismo all'esterno in base a regolarità statistiche.
Tuttavia, quando una forza esterna (campo magnetico esterno) dispone la polarità di ogni "piccolo magnete" nella stessa direzione, esso mostra un forte magnetismo esterno.
La magnetizzazione spontanea dei domini magnetici all'interno dei materiali ferromagnetici è una ragione importante del loro ferromagnetismo.
Questo spiega perché gli "atomi con gusci di elettroni non pieni" sono solo una condizione necessaria per il magnetismo materiale.
In senso stretto, ciò che di solito chiamiamo magnetismo dovrebbe essere in realtà ferromagnetismo.
Pertanto, elementi come il Mn e il Cr, pur avendo anch'essi momenti magnetici atomici, non presentano magnetismo (ferromagnetismo) interno.
(4) Antiferromagnetismo
L'antiferromagnetismo si riferisce al fenomeno per cui, sotto l'azione di un campo magnetico, atomi o ioni adiacenti con lo stesso spin si dispongono in direzioni opposte, facendo sì che i loro momenti magnetici si annullino a vicenda, rendendoli simili a materiali paramagnetici e non mostrando magnetismo.
(5) Ferrimagnetismo
Il ferrimagnetismo è essenzialmente un antiferromagnetismo in cui i momenti magnetici inversi su due sublattici non si annullano completamente.
È simile al ferromagnetismo in quanto presenta un forte magnetismo, ma è diverso dal ferromagnetismo in quanto il suo magnetismo deriva dalla differenza tra due momenti magnetici opposti e disuguali.
Attualmente, molte ferriti (ossidi compositi composti da ferro e uno o più metalli) che sono state studiate appartengono ai materiali ferrimagnetici.
Il ferrimagnetismo e l'antiferromagnetismo sono strettamente correlati. Partendo da una struttura antiferromagnetica nota, è possibile riconfigurarla, attraverso la sostituzione di elementi, in un materiale ferrimagnetico che mantiene la struttura magnetica originale, ma che presenta due sublattici con momenti magnetici disuguali.
I materiali ferromagnetici e ferrimagnetici sono indicati collettivamente come materiali magnetici forti e rappresentano la principale direzione di sviluppo dei materiali magnetici.
Interazione Vediamo ora come l'interazione di scambio degli elettroni influisce sul momento magnetico di spin degli elettroni e quindi sul magnetismo macroscopico dei materiali.
L'interazione di scambio tra atomi si riferisce generalmente all'interazione elettrostatica causata dallo scambio reciproco di posizioni di elettroni in atomi adiacenti.
In particolare, quando due atomi sono vicini, oltre a considerare l'elettrone 1 che si muove intorno al nucleo 1 e l'elettrone 2 che si muove intorno al nucleo 2, dal momento che gli elettroni sono indistinguibili, dobbiamo anche considerare la possibilità di scambiare le posizioni dei due elettroni, in modo che l'elettrone 1 sembri muoversi intorno al nucleo 2 e l'elettrone 2 sembri muoversi intorno al nucleo 1.
Ad esempio, in un atomo di idrogeno, questo tipo di scambio di elettroni avviene con una frequenza di circa 1018 volte al secondo. La variazione di energia causata da questa interazione di scambio è chiamata energia di scambio, indicata come Eex.
In generale, l'energia del legame atomico può essere espressa come:
E=E0+E '=E0+(C+A)
Dove E0 è l'energia totale di ciascun atomo al suo stato fondamentale;
C è l'incremento di energia risultante dall'interazione elettrica statica di Coulomb tra nuclei ed elettroni;
A è l'incremento di energia risultante dallo scambio di elettroni, generalmente indicato come costante di energia di scambio.
A dipende dal grado di vicinanza dei gusci di elettroni parzialmente riempiti degli atomi vicini ed è un'energia che misura l'entità dell'interazione di scambio.
L'evidenza sperimentale mostra che la variazione di energia (cioè l'energia di scambio Eex) causata dall'interazione di scambio di due elettroni in una molecola di idrogeno può essere approssimativamente espressa come segue:
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Dove Sa e Sb rappresentano i numeri quantici di spin dei due elettroni. φ è l'angolo tra le direzioni dei momenti magnetici di spin dei due elettroni e il suo possibile intervallo di variazione è compreso tra 0° e 180°.
Sebbene l'equazione sopra riportata sia stata ottenuta dall'interazione di scambio tra atomi di idrogeno con un solo elettrone, essa ha un significato generale per l'analisi qualitativa dell'interazione di scambio di atomi con più elettroni. Un'ulteriore analisi rivela che:
(1) Quando A>0, se φ=180°, cosφ=-1, indicando che le direzioni dei momenti magnetici di spin dei due elettroni sono opposte, cioè i momenti magnetici di spin degli elettroni sono disposti in modo antiparallelo, e Eex(180)=+2ASaSb; se φ=0°, che indica che le direzioni dei momenti magnetici di spin dei due elettroni sono uguali, e i momenti magnetici di spin degli elettroni sono disposti parallelamente, Eex(0)=-2ASaSb.
Inoltre, se 0°<φ<180°, le direzioni di spin dei due elettroni non sono né uguali né opposte, ma separate da un angolo φ, e la loro energia di scambio Eex si trova tra i due, cioè Eex(0°)<Eex<Eex(180°). In base alla legge di base della minimizzazione dell'energia che è lo stato più stabile, si può notare che l'energia del sistema è minimizzata solo quando φ=0°, a quel punto il sistema è nello stato più stabile.
Quando le direzioni dei momenti magnetici di spin adiacenti dei due elettroni sono uguali, i momenti magnetici di spin degli elettroni sono necessariamente disposti parallelamente, dando origine alla magnetizzazione spontanea e portando all'esistenza del ferromagnetismo nella materia.
(2) Quando A < 0, solo quando φ = 180°, l'energia dell'intero sistema è ridotta al minimo, il che significa che la direzione dello spin degli elettroni è disposta in modo antiparallelo, ovvero l'antiferromagnetismo.
(3) Quando |A| è molto piccolo, l'interazione di scambio tra questi due atomi adiacenti è debole e l'energia di scambio Eex è molto piccolo. Quando φ è intorno a 90o, l'energia è bassa, quindi la direzione del momento magnetico è caotica e il materiale è paramagnetico.
In sintesi, le proprietà specifiche del magnetismo dei materiali dipendono da A, cioè dal grado di vicinanza dei gusci elettronici non riempiti degli atomi vicini.
Pertanto, il magnetismo dei materiali è determinato dalla distribuzione degli elettroni negli atomi e dalla struttura cristallina del materiale.
Le caratteristiche del magnetismo rendono i materiali magnetici cruciali per lo sviluppo delle industrie ad alta tecnologia e sono un pilastro importante per il progresso della scienza e della tecnologia. Sono anche un'area di ricerca molto attiva nella tecnologia moderna.
Dato il ruolo di primo piano dei materiali magnetici nell'odierna società dell'informazione, il livello di sviluppo tecnologico di un Paese può essere riflesso dai suoi materiali magnetici e la domanda di questo tipo di materiali può essere utilizzata per misurare gli standard economici e di vita media di un Paese.
In seguito, descriveremo brevemente alcuni materiali magnetici comuni nella vita di tutti i giorni.
Il termine "materiali magnetici" si riferisce principalmente ai materiali ferromagnetici e ferrimagnetici.
In base alla loro distribuzione magnetica, possono essere suddivisi in materiali magnetici duri (permanenti), materiali magnetici semiduri e materiali magnetici morbidi.
Materiali I materiali magnetici dolci si riferiscono a materiali facilmente magnetizzabili e smagnetizzabili dalla corrente alternata, solitamente con proprietà ferrimagnetiche.
Hanno alcune proprietà speciali:
(1) Attraverso la magnetizzazione del campo magnetico esterno, possono avere un'elevata intensità di induzione magnetica massima;
(2) Sotto la magnetizzazione di un campo magnetico esterno di una certa intensità, i materiali magnetici morbidi possono avere una maggiore intensità di induzione magnetica;
(3) La resistenza al movimento del dominio magnetico nei materiali magnetici morbidi è piccola.
Grazie a queste proprietà, i materiali magnetici morbidi sono ampiamente utilizzati nei settori della comunicazione, della radiodiffusione, della televisione, della strumentazione e della moderna tecnologia elettronica. Sono comunemente utilizzati come nuclei per generatori e trasformatori di distribuzione.
In questi campi, i materiali magnetici devono avere un'elevata sensibilità alle variazioni dei campi magnetici esterni.
Se il materiale è difficile da magnetizzare o se le proprietà magnetiche non vengono rilasciate facilmente dopo la magnetizzazione, non può soddisfare i requisiti di queste applicazioni. I materiali ferrimagnetici morbidi sono ideali per questi scopi.
Per questo motivo, i materiali ferrimagnetici morbidi sono tra i primi sviluppati, i più diversi, i più alti rendimenti e i più utilizzati.
I materiali magnetici duri, noti anche come magneti permanenti, sono in grado di mantenere una forte magnetizzazione dopo essere stati magnetizzati e possono fornire un campo magnetico costante in un determinato spazio per un lungo periodo di tempo senza consumare energia elettrica.
Di solito si tratta di materiali ferromagnetici. I materiali magnetici duri sono ampiamente utilizzati in motori elettrici, generatori, altoparlanti, cuscinetti, elementi di fissaggio e dispositivi di trasmissione.
Il magnetismo permanente dei materiali magnetici duri è proprio quello che serve a questi campi.
Ad esempio, i motori e i generatori elettrici richiedono un corpo magnetico con un campo magnetico costante per funzionare e i magneti permanenti sono ideali perché non consumano energia elettrica per mantenere le loro proprietà magnetiche.
Tuttavia, a causa della scarsa variabilità dei materiali magnetici duri, pur offrendo un'elevata stabilità, il loro campo di utilizzo è limitato.
I materiali magnetici semiduri hanno proprietà che si collocano tra i materiali magnetici morbidi e quelli duri.
Sono caratterizzati da un'intensità di induzione magnetica residua stabile in presenza di campi magnetici esterni inferiori a un certo valore (simili ai materiali magnetici duri), ma hanno anche la tendenza a cambiare la direzione di magnetizzazione in presenza di campi magnetici inversi superiori a una certa soglia, simili ai materiali magnetici morbidi.
Pertanto, i materiali magnetici semiduri sono utilizzati come materiali dinamici e, con la società sempre più intelligente, la domanda di materiali dinamici è in aumento, rendendo i materiali magnetici semiduri un promettente campo di sviluppo.
Le applicazioni comprendono relè, dispositivi di archiviazione semifissi e dispositivi di allarme.
I supporti di registrazione magnetica sono un importante tipo di materiale magnetico semi-duro, ampiamente utilizzato nei dispositivi di archiviazione delle informazioni come dischi rigidi, nastri magnetici e carte di credito.
I materiali magnetici semiduri svolgono un ruolo fondamentale in queste applicazioni grazie alle loro proprietà dinamiche.
Prendendo come esempio gli hard disk, il materiale magnetico semiduro è utilizzato principalmente nella parte del disco.
Quando il disco ruota, se la testina rimane in una posizione, ogni testina crea una traccia circolare sulla superficie del disco.
Queste tracce circolari sono chiamate binari, che sono fondamentalmente circuiti magnetici con spazi vuoti.
Durante il processo di scrittura, il computer converte le informazioni in corrente elettrica e le invia alla bobina intorno alla testina.
La corrente nella bobina magnetizza la testina e il campo magnetico generato dalla testina magnetizzata magnetizza il fluido sul binario.
Poiché le dimensioni della corrente sono diverse, il campo magnetico della testina cambia, modificando la magnetizzazione del supporto magnetico e registrando dati diversi.
Mentre la testina e il disco si muovono, sul disco vengono registrate grandi quantità di informazioni.
Il processo di lettura si svolge in direzione opposta a quello di scrittura, utilizzando il campo magnetico del supporto magnetico per produrre una variazione del flusso magnetico sulla testina, generando una corrente variabile nella bobina, che serve come segnale elettrico utilizzabile dal computer.
I materiali magnetici svolgono un ruolo significativo nella nostra vita quotidiana e la loro importanza è evidente. Crediamo che con una comprensione più approfondita del magnetismo e con i progressi della tecnologia dei materiali magnetici, le applicazioni nella nostra vita saranno ancora più ampie.
L'analisi di cui sopra è relativamente generale e semplice.
Comprendere i principi più profondi e come controllare le proprietà magnetiche dei materiali magnetici per il nostro uso sarà la direzione in cui dobbiamo continuare a progredire in futuro.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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