MAGNETISMO

Il magnetismo è un fenomeno fisico che si manifesta quando un corpo è in grado di attrarre o respingere altri corpi metallici o altri magneti. I magneti sono materiali che presentano una proprietà fisica chiamata momento magnetico, ovvero la capacità di generare un campo magnetico intorno a sé.

Il campo magnetico è una regione dello spazio in cui si manifestano gli effetti del magnetismo. È costituito da linee di forza, che rappresentano la direzione e la intensità del campo magnetico. Le linee di forza partono dalla regione detta polo nord magnetico e arrivano al polo sud magnetico, che sono le regioni del magnete in cui il campo magnetico è più intenso.

I magneti sono classificati in base alla loro forza magnetica, ovvero la quantità di momento magnetico che possiedono. Esistono magneti naturali, come l'acciaio inossidabile e il ferro, che presentano una certa forza magnetica a causa della disposizione delle loro particelle atomiche. Inoltre, esistono magneti artificiali, come quelli a base di terre rare, che possono essere realizzati con una forza magnetica maggiore di quella dei magneti naturali.

Il magnetismo è stato studiato a fondo dalla fisica e ha trovato diverse applicazioni nella tecnologia, come nella produzione di generatori elettrici, nei motori elettrici e nella costruzione di apparecchiature elettroniche. Inoltre, il magnetismo ha anche importanti implicazioni nella scienza della medicina, poiché il campo magnetico viene utilizzato in numerose procedure diagnostiche e terapeutiche, come la risonanza magnetica.

(L'argomento è trattato in modo più approfondito nella sezione di fisica 2)

9.1 I numeri quantici 

Sono i numeri usati per descrivere la struttura elettronica di un atomo o di una molecola. Essi determinano le proprietà chimiche e fisiche degli atomi e delle molecole. 

1. Numero quantico principale (n): è un numero intero che indica la principale quantità di energia dell'elettrone, il livello energetico. Più alto è il numero quantico principale, più lontano dal nucleo si trova l'elettrone. 

2. Numero quantico secondario (l): è il momento angolare, fornisce informazioni sulla forma dell'orbita dell'elettrone. È un numero intero che può essere 0, 1, 2, a n-1. a seconda della posizione dell'elettrone. 

3. Numero quantico magnetico (m): indica la posizione dell'elettrone sulla sua orbita, ed è un numero intero che può assumere valori da -l a +l (dove l è il numero quantico secondario). 

4. Numero quantici spin (s): l'orientazione del momento angolare di spin. Indica la direzione della rotazione dell'elettrone. È un numero intero che può assumere valori da -1/2 a +1/2. 

Per l'elettrone il momento angolare di spin è S, mentre s  è l'orientazione del momento angolare di spin. Il momento magnetico m è dato dall'area per la corrente della spira.

9.2 Elettroni

Ora guardiamo la remissione / Intensità di fotoluminescenza per trovare il Magnetone di Bohr (costituisce l'unità naturale per esprimere la misura del momento magnetico di dipolo dell'elettrone durante il suo moto intorno al nucleo e al suo asse di rotazione).

9.3 Diamagnetici

Proprietà di tutti i materiali e caratterizzata da forze deboli. Diamagnetici sono i materiali con una debole tendenza a respingere un campo magnetico esterno. Questo effetto è dovuto al dipolo magnetico indotto nei materiali, che è opposto al campo magnetico esterno, causando una repulsione. Alcuni materiali possono essere anche paramagnetici e ferromagnetici.

9.4 Paramagnetici

Sono materiali che presentano una debole attrazione magnetica in risposta ai campi magnetici esterni. Questi materiali sono caratterizzati da un momento magnetico che si alza con l'aumentare del campo esterno. 

Osserviamo ora la correlazione tra M e H: Con campi esterni grandi, 10^6, per indurre magnetizzazione di 10^3. 

Normalmente il materiale ad una certa temperatura ha campi magnetici sparsi. Accendendo un campo magnetico solo alcuni si vanno a orientare nella direzione di H a causa della componente termica che è ancora elevata.

C'è un riordinamento e ci interessa calcolare il contributo lungo H deicomponenti magnetici dei dipoli. Essi sono orientati di un angolo θ:

Le 3 tipologie di materiali paramagnetici

1) Legge di Curie che identifica la dipendenza tra magnetizzazione e temperatura.

Approfondimento: La funzione di Langevin è una funzione matematica che descrive un processo stocastico in cui una variabile casuale varia in modo casuale sotto l'influenza di una forza esterna. La funzione è stata originariamente proposta da Paul Langevin nel 1908 come modello per la descrizione della diffusione termica ed è generalmente espressa come segue: L(t)=Aexp(-γt)cos(ωt+φ) dove A è l'ampiezza della forza esterna, γ è il tasso di attenuazione, ω è la frequenza della forza esterna, t è il tempo e φ è una fase casuale. 

E' utilizzata in una vasta gamma di applicazioni, come la meccanica delle vibrazioni, la teoria dei sistemi dinamici, la teoria della diffusione e la teoria dell'informazione. Inoltre, è stata utilizzata per modellare processi biologici come la propagazione dell'impulso nervoso, l'attività delle sinapsi e il comportamento delle cellule, ma anche per modellare fenomeni fisici come la diffusione termica, la diffusione di sostanze chimiche in una soluzione e l'evoluzione di specie. 

2) La legge di Curie-Weiss è un principio matematico che descrive il comportamento dei materiali paramagnetici e ferromagnetici a temperature elevate. Si basa sull'ipotesi che l'interazione tra due particelle magnetiche dipenda solo dalla loro distanza. La legge descrive il modo in cui l'intensità del campo magnetico generato da una materia ferromagnetica aumenta con la temperatura.

3) Considero una banda e ingrandisco tantissimo fino a visualizzare i livelli. Ad ogni livello inserisco due elettroni con spin opposto. Poi applico un campo magnetico H. Gli e- a destra avranno un'energia diversa da quelli a sinistra perché da una parte è applicato un campo magnetico.

Nel calcolo dell'energia del salto dovuta dal campo magnetico uso il calcolo visto qualche pagina indietro e non inserisco ml, il numero magnetico, perché in un metallo gli elettroni sono quasi liberi. Poi integro il grafico fino al livello di Fermi ricordando di porre segni diversi tra elettroni up e down.

9.5 Ferromagnetici

Sono materiali che presentano forti proprietà magnetiche e sono attratti da magneti. Sono caratterizzati dalla presenza di elettroni non accoppiati nei loro atomi, che danno origine al loro comportamento magnetico. Alcuni esempi di materiali ferromagnetici includono il ferro, il nichel, il cobalto e alcuni leghe come l'acciaio. Questi materiali possono essere magnetizzati e possono anche mantenere la loro magnetizzazione quando il campo magnetico esterno viene rimosso. 

I materiali ferromagnetici vengono utilizzati in molti campi di applicazione, come nella costruzione di elettromagneti, trasformatori, motori e generatori. Vengono anche utilizzati nella produzione di supporti di registrazione magnetica, come nastri e dischi, e nella fabbricazione di sensori magnetici e interruttori. 

ENERGIA DI SCAMBIO

Dal principio di esclusione di Pauli due elettroni possono stare allo stesso livello energetico solo se hanno spin opposti, altrimenti devono stare in livelli differenti.

• Se hanno uno spin accoppiato i due e- vanno in orbite diverse.

• Se hanno spin opposto sono nello stesso orbitale, quindi sono più vicini. Ma sappiamo che gli e- sono cariche negative e quindi tenderanno a respingersi.

Tramite la meccanica quantistica e con un integrale di scambio si può quantificare (ma non approfondirò oltre il calcolo). 

Vediamo ora i metalli di transizione: Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, essi hanno gli ultimi orbitali in 4s e 3d. Il grafico mostra che gli orbitali sono sovrapposti, ma questo non ci sorprende. Il 4s è molto ampio, mentre il 3d avrà i vari livelli più piccoli.

Tra i vari materiali del tra quelli indicati varierà solo la posizione del livello di Fermi: RIGID BAND MODEL

--> Per il ferro

Anche qui abbiamo a disposizione i 3d e 4s. Avremo quindi elettroni accoppiato o spaiati?

In genere lo scalino 4s è troppo grande. Un e- 3d se cambia energia, né guadagna molta di scambio e spende poco nel salire il gradino. Ho una grande asimmetria pure essendo vicino al livello di Fermi. Il momento magnetico qui è naturalmente presente.

DOMINI MAGNETICI

I domini magnetici sono regioni di un materiale ferromagnetico in cui il momento magnetico atomico, noto anche come momento di spin, è allineato in modo da creare una regione con una forte magnetizzazione. 

I domini magnetici possono essere visualizzati utilizzando un microscopio a forza magnetica, che mostra le regioni di alta magnetizzazione come chiazze di colore scuro sullo sfondo di un materiale ferromagnetico. 

Tuttavia in genere sono presenti in modo casuale gli effetti si annullano a vicenda. Però accendendo un campo esterno i domini allineati al campo crescono, mentre gli altri diminuiscono. Lo spostamento è irreversibile e se colleghiamo un altoparlante ad un magnete con intorno ad una spira si può sentire lo strigolio prodotto. Questa comunque è energia che va a dissiparsi, quindi nel tempo il magnete tende a ridurre la sua intensità.