Le proprietà magnetiche dei materiali

L'esperienza mostra che le sostanze ferromagnetiche, quando sono sottoposte all'azione di un campo magnetico esterno, si magnetizzano. Questo è quello che accade, per esempio, a un cilindro di ferro inserito all'interno di un solenoide. Quando chiudiamo il circuito, la corrente che percorre gli avvolgimenti del solenoide genera al suo interno un campo magnetico uniforme che attraversa il metallo e trasforma il cilindro in una calamita. Adesso, infatti, il pezzo di ferro riesce ad attrarre le puntine da disegno. Ma che cosa succede all'interno del cilindro quando esso è immerso in un campo magnetico?

Oggi sappiamo che all'interno degli atomi ci sono minuscole correnti elettriche dovute al moto degli elettroni intorno al nucleo e al loro spin. Ogni atomo, quindi, si comporta come una spira percorsa da corrente che genera un piccolissimo campo magnetico. In condizioni normali, le spire dei singoli atomi di ferro sono orientate a caso; perciò, il campo magnetico totale che generano nel materiale è nullo. Quando accendiamo un campo magnetico esterno, B₀, invece, le spire atomiche percorse da corrente ruotano fino a orientare il proprio campo magnetico nel verso del campo magnetico esterno. L'effetto complessivo di questo allineamento equivale a quello di una corrente che fluisce sulla superficie del cilindro. Si genera, cioè, un campo magnetico aggiuntivo, B_m, dovuto proprio alla presenza del cilindro con i suoi atomi di ferro. Così, nello spazio che circonda il cilindro, si misura un campo magnetico totale, B, che è dato dalla somma del campo magnetico esterno, B₀, e dal campo magnetico della sostanza ferromagnetica, B_m.

In natura non sono soltanto le sostanze ferromagnetiche a risentire dei campi magnetici. L'esperienza mostra, infatti, che alcuni materiali, chiamati paramagnetici, sono attratti da una calamita soltanto debolmente. Ed esiste una terza categoria di sostanze, chiamate diamagnetiche, che sono debolmente respinte dal campo magnetico di una calamita.

Che cosa succede a una sostanza non ferromagnetica quando la inseriamo all'interno di un campo magnetico esterno? L'alluminio, per esempio, è una sostanza paramagnetica. Quando questo materiale è immerso in un campo magnetico, i campi magnetici atomici si allineano lungo la direzione di B₀, in modo simile a quanto accade per le sostanze ferromagnetiche. In questo caso, però, l'allineamento ha effetti molto minori. Infatti, ora il campo magnetico totale, B, risulta di poco superiore al campo magnetico esterno. In altre parole, il campo B_m, dovuto alla presenza di una sostanza paramagnetica, è quasi trascurabile.

Nel caso di un cilindro di rame, invece, si assiste a un fenomeno diverso. Il campo magnetico totale nello spazio risulta minore del campo magnetico esterno. Vediamo perché. Il rame è una sostanza diamagnetica, ovvero debolmente respinta da un campo magnetico. Sotto l'azione di un campo esterno, anche i campi magnetici che si generano negli atomi di una sostanza diamagnetica si allineano lungo B₀, ma in questo caso si allineano con verso opposto. Di conseguenza, il campo magnetico B_m, dovuto alla presenza di una sostanza diamagnetica, ha verso opposto a quello del campo magnetico esterno. Ecco perché il campo totale che si misura è inferiore al campo applicato dall'esterno.