Come si formano i magneti?

Quasi tutti hanno familiarità con un magnete di base e cosa fa o può fare. Un bambino piccolo, se avesse a disposizione qualche momento di gioco e il giusto mix di materiali, riconoscerebbe subito che certo tipi di cose (che il bambino identificherà in seguito come metalli) vengono attirate verso il magnete mentre altre non sono interessate da esso. E se al bambino viene dato più di un magnete con cui giocare, gli esperimenti diventeranno presto ancora più interessanti.

Magnetismo è una parola che racchiude un numero di interazioni conosciute nel mondo fisico che non sono visibili all'occhio umano senza aiuto. I due tipi fondamentali di magneti sono ferromagneti, che creano campi magnetici permanenti intorno a se stessi, e elettromagneti, che sono materiali in cui il magnetismo può essere temporaneamente indotto quando vengono posti in un campo elettrico, come quello generato da una bobina di filo percorso da corrente.

Se qualcuno ti chiede il Pericolodomanda in stile "Di quale materiale è composto un magnete?" allora puoi essere sicuro che non c'è una risposta unica – e armati di le informazioni a portata di mano, sarai anche in grado di spiegare al tuo interlocutore tutti i dettagli utili, incluso come è un magnete formato.

Come per molte cose in fisica, ad esempio gravità, suono e luce, il magnetismo è sempre stato "presente", ma la capacità dell'umanità di descriverlo e fare previsioni su di esso sulla base di esperimenti e i modelli e le strutture risultanti sono progrediti nel corso del secoli. Un intero ramo della fisica è sorto attorno ai relativi concetti di elettricità e magnetismo, solitamente chiamati elettromagnetismo.

Le culture antiche erano consapevoli che il calamita, un raro tipo di magnetite minerale contenente ferro e ossigeno (formula chimica: Fe₃oh₄), potrebbe attirare pezzi di metallo. Nell'XI secolo, i cinesi avevano appreso che una pietra del genere, lunga e sottile, si sarebbe orientata lungo un asse nord-sud se sospesa nell'aria, aprendo la strada al bussola.

I viaggiatori europei che usavano la bussola notarono che la direzione che indicava il nord variava leggermente durante i viaggi transatlantici. Ciò ha portato alla realizzazione che la Terra stessa è essenzialmente un enorme magnete, con il "nord magnetico" e il "nord reale" leggermente diversi e diversi per quantità variabili in tutto il mondo. (Lo stesso vale per il sud vero e magnetico.)

Un numero limitato di materiali, tra cui ferro, cobalto, nichel e gadolinio, manifestano da soli forti effetti magnetici. Tutti i campi magnetici derivano da cariche elettriche che si muovono l'una rispetto all'altra. L'induzione del magnetismo in un elettromagnete ponendolo vicino a una bobina di filo percorso da corrente è stata menzionato, ma anche i ferromagneti possiedono magnetismo solo a causa di minuscole correnti generate all'atomo livello.

Se un magnete permanente viene avvicinato a un materiale ferromagnetico, i componenti dei singoli atomi di ferro, cobalto o qualunque sia il materiale è allinearsi con le linee immaginarie di influenza del magnete che si estendono a ventaglio dai suoi poli nord e sud, chiamato il magnete campo. Se la sostanza viene riscaldata e raffreddata, la magnetizzazione può essere resa permanente, sebbene possa avvenire anche spontaneamente; questa magnetizzazione può essere invertita dal calore estremo o dall'interruzione fisica.

Non esiste un monopolio magnetico; cioè, non esiste una cosa come un "magnete puntiforme", come avviene con le cariche elettriche puntiformi. Invece, i magneti hanno dipoli magnetici e le loro linee di campo magnetico hanno origine dal polo magnetico nord e si aprono verso l'esterno prima di tornare al polo sud. Ricorda, queste "linee" sono solo strumenti usati per descrivere il comportamento di atomi e particelle!

Come sottolineato in precedenza, i campi magnetici sono prodotti dalle correnti. Nei magneti permanenti, piccole correnti sono prodotte dai due tipi di moto degli elettroni in questi atomi di magneti: la loro orbita attorno al protone centrale dell'atomo e la loro rotazione, o rotazione.

Nella maggior parte dei materiali, il piccolo momenti magnetici creati dal movimento dei singoli elettroni di un dato atomo si annullano a vicenda. Quando non lo fanno, l'atomo stesso agisce come un minuscolo magnete. Nei materiali ferromagnetici, i momenti magnetici non solo non si annullano, ma si allineano anche nel stessa direzione, e si spostano in modo da essere allineati nella stessa direzione delle linee di un magnete esterno applicato campo.

Alcuni materiali hanno atomi che si comportano in modo tale da consentire loro di essere magnetizzati a vari gradi da un campo magnetico applicato. (Ricorda, non è sempre necessario un magnete per la presenza di un campo magnetico; una corrente elettrica abbastanza considerevole farà il trucco.) Come vedrai, alcuni di questi materiali non vogliono una parte duratura del magnetismo, mentre altri si comportano in modo più malinconico.

Un elenco di materiali magnetici che fornisca solo i nomi dei metalli che esibiscono magnetismo non sarebbe utile quanto un elenco di materiali magnetici ordinati dal comportamento dei loro campi magnetici e come funzionano le cose al microscopico livello. Un tale sistema di classificazione esiste e separa il comportamento magnetico in cinque tipi.

• Diamagnetismo: La maggior parte dei materiali presenta questa proprietà, in cui i momenti magnetici degli atomi posti in un campo magnetico esterno si allineano in una direzione opposta a quella del campo applicato. Di conseguenza, il campo magnetico risultante si oppone al campo applicato. Questo campo "reattivo", tuttavia, è molto debole. Poiché i materiali con questa proprietà non sono magnetici in alcun senso significativo, la forza del magnetismo non dipende dalla temperatura.
  
• Paramagnetismo: I materiali con questa proprietà, come l'alluminio, hanno atomi individuali con momenti di dipolo netti positivi. I momenti di dipolo degli atomi vicini, tuttavia, di solito si annullano a vicenda, lasciando il materiale nel suo insieme non magnetizzato. Quando viene applicato un campo magnetico, invece di opporsi al campo in modo assoluto, i dipoli magnetici di gli atomi si allineano in modo incompleto con il campo applicato, risultando in una magnetizzazione debolmente Materiale.
  
• Ferromagnetismo: Materiali come ferro, nichel e magnetite (calamite) hanno questa potente proprietà. Come già accennato, i momenti di dipolo degli atomi vicini si allineano anche in assenza di un campo magnetico. Le loro interazioni possono provocare un campo magnetico di magnitudo che raggiunge i 1.000 tesla, o T (l'unità SI dell'intensità del campo magnetico; non una forza ma qualcosa di simile). In confronto, il campo magnetico della Terra stessa è 100 milioni di volte più debole!
  
• Ferrimagnetismo: Notare la differenza di una singola vocale dalla precedente classe di materiali. Questi materiali sono solitamente ossidi e le loro interazioni magnetiche uniche derivano dal fatto che gli atomi in questi ossidi sono disposti in una struttura a "reticolo" cristallino. Il comportamento dei materiali ferrimagnetici è molto simile a quello dei materiali ferromagnetici, ma l'ordinamento dei elementi magnetici nello spazio è diverso, portando a diversi livelli di sensibilità alla temperatura e altro distinzioni.
  
• Antiferromagnetismo: Questa classe di materiali è caratterizzata da una peculiare sensibilità alla temperatura. Al di sopra di una data temperatura, detta Neel temperatura o T_no, il materiale si comporta in modo molto simile a un materiale paramagnetico. Un esempio di tale materiale è l'ematite. Questi materiali sono anche cristalli, ma come suggerisce il nome, i reticoli sono organizzati in questo modo che le interazioni del dipolo magnetico si annullano completamente quando nessun campo magnetico esterno è presente.