PROPRIETA’ MAGNETICHE DELLA MATERIA

Presentazione sul tema: "PROPRIETA’ MAGNETICHE DELLA MATERIA"— Transcript della presentazione:

1 PROPRIETA’ MAGNETICHE DELLA MATERIA

2 Un po’ di storia… Il magnetismo, con il suo misterioso potere a distanza, ha sempre suscitato la curiosità degli uomini antichi fino a tutto il Medioevo, ed è stato spesso associato a pratiche magiche e mistiche, similmente peraltro ai fenomeni elettrici. Ancora oggi, si trovano in commercio “magneti terapeutici” con presunte capacità di migliorare l’ umore e produrre un generale benessere, incorporati in fasce elastiche così come in bracciali, collane, anelli etc. Gli effetti del magnetismo erano noti agli antichi greci già nel V–VI secolo a.C., molto probabilmente anche prima di tale data in Cina già si faceva uso di un prototipo di bussola,e già intorno al 2500 a.C. in Cina e in India si conoscevano fenomeni magnetici.Plinio il Vecchio, nel suo Historiae Naturalis, fa risalire il termine “magnetismo” al pastore cretese Magnes che scoprì gli effetti di attrazione e repulsione di alcune pietre con la punta metallica del suo bastone. Tali pietre contenevano magnetite, un minerale con struttura a spinello dalle proprietà magnetiche naturali.Anche le proprietà di induzione magnetica erano conosciute dall’antichità, la capacità di rendere magnetico un oggetto di ferro messo a contatto con un magnete permanente attirò l’attenzione di Archimede ( a.C.) che cercò di magnetizzare le spade dell’esercito di Siracusa, affinché i suoi soldati riuscissero a disarmare meglio i propri avversari. Per lungo tempo i fenomeni magnetici sono stati associati al mondo dell’animismo e della superstizione, con interpretazioni più filosofiche che scientifiche, durante tutto il medioevo tali considerazioni divennero anche base di applicazioni in campo medico. Il più importante studio medievale sull'argomento è certamente la "epistola de magnete" di Pietro Peregrino di Maricourt (del 1296), che tra introdusse il concetto e la terminologia dei due poli (Nord e Sud) della calamita. Solo intorno al 1600 circa si incominciò ad inquadrare l’argomento in modo veramente scientifico. Il padre del magnetismo moderno può essere riconosciuto in William Gilbert ( ), che con la sua opera “De Magnete”, espresse la convinzione che le forze elettriche e quelle magnetiche fossero correlate, avanzando così per primo la teoria dell’elettromagnetismo.

3 Il fisico danese Hans Cristian Oersted nel Settecento studiò le interazioni tra correnti elettriche e magnetiche, ottenute misurando come la corrente elettrica influenzi la rotazione dell’ago di una bussola. Successivamente Il chimico-fisico-matematico , francese autodidatta, Andrè Marie Ampere ( ) dopo appena una settimana dall’ aver ascoltato una conferenza di Oersted a Copenhagen , sperimentò che correnti parallele si attraggono l’ un l’ altra, come se fossero magnetizzate. Ampere formulò matematicamente le sue scoperte sulla elettrodinamica; in suo onore la unità di misura della corrente elettrica venne chiamata “Ampere”. Michael Faraday dopo aver aver studiato le interazioni magnetiche di molte sostanze e scoperto che tutte quante sono più o meno sono attratte (sostanze Paramagnetiche e Ferromagnetiche) o respinte (sostanze Diamagnetiche) da un magnete permanente ( Sostanza Ferrimagnetica), formulò il concetto di “linee di forza di un campo elettromagnetico". Oggi sappiamo che il magnetismo è dovuto alle proprietà e ai moti dell’elettrone all’interno di atomi e molecole e che una sua completa spiegazione è possibile solo nell’ambito di una teoria fisica estremamente complessa, la meccanica quantistica.

4 LA SPIRA Prima di introdurre le proprietà magnetiche della materia, è necessario definire la spira. Una spira è un anello di materiale conduttore in grado di far circolare corrente su di sé. Sotto opportune ipotesi, una spira e un ago magnetico (o un magnete in generale) si comportano allo stesso modo, cioè: producono lo stesso campo magnetico B posti in uno stesso campo B, subiscono la stessa azione meccanica.

5 MOMENTO TORCENTE SU UNA SPIRA
Su una spira percorsa da una corrente I e immersa in un campo magnetico B uniforme agiste un momento torcente: M=IAxB=IABsenα A= vettore area della spira L’unità di misura Newton/metro

6 Momento magnetico della spira
Il momento torcente su una spira dipende dal prodotto IA. Il comportamento delle spire pertanto dalla grandezza caratteristica detta momento magnetico m definito come: m=IA L’unità di misura del momento magnetico è ampere· metro² In termini di momento magnetico, il momento torcente di una spira è: M=mxB

7 Le proprietà magnetiche della materia
Le proprietà magnetiche dei materiali possono essere evidenziate ponendo piccoli campioni in un campo magnetico molto intenso e non uniforme. Si osservano tre comportamenti distinti: Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo

8 Diamagnetismo I materiali in cui il diamagnetismo si manifesta in maniera rilevante sono detti materiali diamagnetici, e sono caratterizzati dal fatto che la magnetizzazione ha verso opposto rispetto al campo magnetico, e quindi sono soggetti ad una forza di repulsione che tende a spostarli verso la zona in cui il campo magnetico è meno intenso. Si avrebbe lo stesso effetto nel caso di una spira con un momento magnetico m in verso opposto a quello del campo magnetico B o di un dipolo magnetico con i poli invertiti rispetto a quelli del campo B. Nel 1778 S. J. Brugmans per primo osservò che il bismuto e l'antimonio erano respinti dai campi magnetici. Tuttavia il termine diamagnetismo fu coniato dal Michael Faraday nel settembre 1845, quando scoprì che tutti i materiali in natura possiedono una componente diamagnetica in risposta a un campo magnetico esterno applicato. Altre sostanze che presentano un comportamento diamagnetico sono: l’acqua, l’argento e il rame.

9 Il diamagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole non posseggono un momento di dipolo magnetico proprio. La relazione lineare tra i due vettori M ( vettore magnetizzazione ) e B0: M=xᴍ·B0 Dove xᴍ è la suscettività magnetica (costante di proporzionalità che quantifica il grado di magnetizzazione del materiali). B0 è il modulo del campo magnetico esterno applicato alla sostanza La teoria per la descrizione del diamagnetismo fu proposta nel 1905 da Paul Langevin. L’azione di un campo magnetico sugli elettroni orbitanti attorno al nucleo atomico determina un moto di precessione antiorario del vettore momento angolare degli elettroni attorno alla direzione del campo magnetico (precessione di Larmor). Al moto di precessione corrisponde una corrente che circola in senso antiorario attorno alla direzione del campo magnetico e che genera, di conseguenza, un momento magnetico diretto in verso opposto rispetto al campo. Nei materiali diamagnetici la permeabilità magnetica relativa μr è minore o uguale a 1, e pertanto la suscettività magnetica xᴍ=μr - 1 è una costante negativa, questo spiega perché i materiali diamagnetici sono "respinti" dal campo magnetico, cioè M e B0 hanno verso opposto.

10 La permeabilità magnetica relativa
Consideriamo un campione di materia immerso in un campo magnetico B0. la forza di cui esso risente è dovuta all’interazione fra B0 ed il campo magnetico Bm che si crea al suo interno per effetto di B0. Il campo magnetico totale B è la loro somma vettoriale. B= B0 + Bm Si può anche dire che: B= B0 μr μr è la permeabilità magnetica relativa della sostanza ed è un numero privo di dimensioni.

11 Nelle sostanze diamagnetiche il campo Bm :
Si origina solo quando è presente il campo B0 Ha verso opposto a B0 Ha intensità piccola e proporzionale a B0 B0 B Bm

12 Paramagnetismo Il paramagnetismo è una forma di magnetismo che alcuni materiali mostrano solo in presenza di campi magnetici, in particolare il paramagnetismo si osserva in quei materiali le cui molecole posseggono un momento di dipolo magnetico proprio. I materiali paramagnetici non conservano la magnetizzazione in assenza di un campo esterno applicato. La relazione che lega i vettori M e B0 è lineare: M = Xm·B0 Dove M è la Magnetizzazione del materiale, B0 è il campo magnetico che investe il materiale e Xm è la suscettività magnetica che per materiali paramagnetici è un numero puro positivo inversamente proporzionale alla temperatura.

13 Su un materiale paramagnetico agisce una debolissima forza attrattiva che tende a spostarlo verso la zona in cui il campo magnetico esterno è più intenso. Le sostanze che hanno questa caratteristica sono: Alluminio Magnesio Tungsteno Ossigeno Calcio Platino Uranio Bario Si presenta lo stesso effetto nel caso di una spira con momento magnetico m avente lo stesso verso del campo B o di un dipolo magnetico con i poli disposti nello stesso modo del campo B.

14 Nelle sostanze paramagnetiche il campo Bm:
Si origina solo quando è presente il campo B0 Ha il verso di B0 Ha intensità piccola e proporzionale a B0 Bm B

15 Solenoide Un solenoide è una bobina di forma cilindrica formata da una serie di spire circolari molto vicine fra loro e realizzate con un unico filo di materiale conduttore.

16 Ferromagnetismo Il ferromagnetismo è la proprietà di alcuni materiali, detti materiali ferromagnetici, di magnetizzarsi molto intensamente sotto l'azione di un campo magnetico esterno e di restare a lungo magnetizzati quando il campo si annulla, diventando così magneti. Questa proprietà si mantiene solo al di sotto di una certa temperatura, detta temperatura di Curie, al di sopra della quale il materiale si comporta come un materiale paramagnetico. Pierre Curie fu il primo a scoprire che esiste una temperatura critica per ogni materiale ferromagnetico al di sopra della quale il materiale si comporta come paramagnetico. La suscettività magnetica segue la legge di Curie-Weiss: dove C è una costante caratteristica del materiale, ρ è la densità e Tc la temperatura di Curie in kelvin. Sul campione di materiale ferromagnetico agisce una forza attrattiva molto grande, che tende a spostarlo verso la zona in cui il campo magnetico è più intenso. Hanno questa caratteristica: il ferro, il cobalto, il nichel e le loro leghe.

17 Isteresi magnetica La permeabilità magnetica delle sostanze ferromagnetiche è molto elevata, ma non ha un valore costante perché il campo Bm non è proporzionale al campo B0 e dipende dalle magnetizzazioni avvenute in precedenza. Per studiare questo effetto si utilizza un solenoide all’interno del quale è posto un cilindro di materiale ferromagnetico che non è stato magnetizzato. Variando la corrente nel solenoide, si modifica il campo B0 e si registra un campo totale B. Inizialmente il cilindro non è magnetizzato: all’aumentare della corrente nel solenoide il campo B cresce fino a raggiungere un valore massimo (P). Un ulteriore aumento di B0 non provoca un aumento del campo magnetico Bm che ha origine nel materiale. Diminuendo l’intensità di corrente nel solenoide il campo B diminuisce. Quando il campo del solenoide si annulla, il campo totale mantiene un valore Bres non nullo : il cilindro ha mantenuto una magnetizzazione residua ed è diventato un magnete. Questo fenomeno è detto isteresi. L'isteresi è la caratteristica di un sistema di reagire in ritardo alle sollecitazioni applicate e in dipendenza dello stato precedente.

18 Per annullare la magnetizzazione del cilindro si deve invertire il senso della corrente nel solenoide in modo da creare un campo inverso e opposto al precedente. Se si aumenta ulteriormente la corrente invertita (si considera il valore assoluto) si raggiunge presto la saturazione del campo magnetico nel verso opposto. A questo punto diminuire la corrente produce una magnetizzazione residua di segno negativo per cancellare la quale è necessario far scorrere una certa quantità di corrente nel verso iniziale. Aumentando ancora la corrente si ritorna nello stato di saturazione, chiudendo così quello che viene chiamato ciclo di isteresi.

19 Elettromagnete Il valore massimo della permeabilità relativa dei materiali ferromagnetici può essere molto elevato, questo permette di costruire calamite molto potenti dette elettromagneti. Un elettromagnete è formato da un solenoide avvolto attorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico che amplifica di centinaia di volte l’intensità del campo prodotta dalla sola corrente del solenoide.

20 I domini di Weiss Nelle sostanze ferromagnetiche, i momenti magnetici degli atomi sono molto intensi e danno luogo ad allineamenti tra atomi adiacenti che formano regioni microscopiche, dette domini di Weiss, in cui il campo magnetico locale è piuttosto forte. Questi domini sono orientati in modo casuale e formano un campo magnetico totale poco intenso. In presenza di un campo esterno B0 questi domini tendono ad orientarsi lungo la direzione di B0 e generano un campo magnetico totale molto più intenso di B0. quando il campo esterno viene meno, nel materiale rimane una magnetizzazione residua dovuta al parziale allineamento dei domini al suo interno, che mantengono il loro legame anche in presenza dell’agitazione termica. L’innalzamento della temperatura provoca un aumento dell’energia di questi moti casuali che riescono a distruggere l’ordine dei domini quando viene superata la temperatura di Curie del materiale. La magnetizzazione residua si annulla.

21 Fine!!!