Materiali magnetici

I materiali magnetici sono sostanze che presentano proprietà ferromagnetiche o ferrimagnetiche. Fin dai primi giorni della civiltà, il magnetismo e i materiali magnetici hanno sempre svolto un ruolo profondo nel progresso della società. Più di 4500 anni fa, i cinesi, probabilmente durante la dinastia Qin, iniziarono a usare le proprietà magnetiche della calamita per realizzare bussole per la navigazione e oltre 3500 anni fa fu scoperto in Magnesia in Asia Minore un magnete.

Tradizionalmente,  i materiali magnetici sono quei materiali che possono essere magnetizzati e sono attratti da un magnete. I materiali magnetici sono tutti metalli ma non tutti i metalli sono magnetici. Nove elementi sono ferromagnetici in quanto presentano un allineamento parallelo e a lungo raggio dei momenti atomici, che determina una magnetizzazione netta spontanea anche in assenza di un campo esterno. Sono tutti metalli, di cui tre Fe, Co, Ni sono metalli del gruppo del ferro e gli altri sei Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm sono metalli delle terre rare.

A seconda della risposta magnetica i materiali magnetici vengono classificati vari tipi di magnetismo. La maggior parte dei materiali magnetici di importanza commerciale sono ferromagnetici o ferrimagnetici. Ferro, nichel, cobalto e le loro leghe sono esempi di ferromagnetici; ferriti di spinello e granati sono esempi di ferrimagnetici.

Materiali magnetici soft e hard

I materiali magnetici sono classificati come materiali soft o dolci e hard o duri. I materiali magnetici soft sono quei materiali che hanno una coercitività intrinseca inferiore a 1000 A/m e che possono essere facilmente magnetizzati e smagnetizzati.

Tuttavia il magnetismo indotto è solitamente temporaneo. Ad esempio, se si strofina un magnete permanente lungo un chiodo o un cacciavite, il chiodo o il cacciavite si magnetizzeranno temporaneamente ed emettono un debole campo magnetico. Ciò si verifica in quanto un gran numero dei loro atomi di ferro sono temporaneamente allineati nella stessa direzione dal campo magnetico esterno.

Come i materiali magnetici soft, i materiali magneticamente hard possono essere magnetizzati da un forte campo magnetico esterno, come quello generati da un elettromagnete ma rimangono magnetizzati indefinitamente, a meno che non vengano smagnetizzati da un campo magnetico opposto, trattati al di sopra del loro punto di Curie o lasciati corrodere.

Classificazione dei materiali magnetici

Sulla base del loro comportamento e dei loro valori di permeabilità magnetica relativa i materiali magnetici si distinguono in ferromagnetici, paramagnetici, diamagnetici, ferrimagnetici, antiferromagnetici e superparamagnetici sebbene, in genere, si focalizza l’attenzione sui materiali paramagnetici, diamagnetici e ferromagnetici.

Materiali ferromagnetici

I materiali magnetici che mostrano ferromagnetismo hanno una grande magnetizzazione anche quando non è presente un campo magnetico di intensità relativamente bassa, a causa degli allineamenti paralleli dei momenti magnetici. Questa proprietà ha origine nella complessa microstruttura del dominio magnetico e nella sua evoluzione sotto l’applicazione di carichi esterni.

I materiali ferromagnetici come ferro, cobalto, nichel e lantanidi come gadolinio, disprosio e neodimio e loro leghe, hanno un momento magnetico permanente in assenza di un campo esterno. La loro suscettività magnetica, ovvero la costante di proporzionalità χ che mette in relazione la magnetizzazione di un materiale, M , con l’intensità di un campo magnetico applicato, H tramite l’equazione χ·H  è molto elevata e superiore a 10⁶.

Le cause del ferromagnetismo possono essere spiegate tramite i domini di Weiss dovuti al fisico francese Pierre-Ernest Weiss che propose questa teoria nel 1907 che si basa sui seguenti postulati:

Un materiale ferromagnetico è suddiviso in un gran numero di piccole regioni chiamate domini
In ciascun dominio i momenti magnetici hanno la stessa direzione
Il momento magnetico varia da dominio a dominio e la magnetizzazione netta è pari a zero
In assenza di campo magnetico esterno tutti i momenti magnetici hanno direzione diversa

Quando viene applicato un campo magnetico si verificano due processi con il movimento delle pareti del dominio e con la rotazione dei domini. Quando viene applicato un debole campo magnetico, i dipoli nei domini si allineano in modo parallelo al campo magnetico applicato e l’area del dominio aumenta mediante il movimento delle pareti del dominio.

Se il campo magnetico applicato è aumentato, i domini ruotano parallelamente alla direzione del campo mediante la rotazione dei domini.

Il ferromagnetismo è dovuto ad alcuni principi della fisica ovvero lo spin degli elettroni spaiati necessario a consentire l’allineamento parallelo degli spin atomici, l’interazione di scambio che consente un allineamento parallelo energeticamente favorevole all’interno di un reticolo e la magnetizzazione spontanea che verifica al di sotto di una certa temperatura chiamata punto di Curie.

Materiali paramagnetici

Il paramagnetismo è la proprietà che hanno alcune sostanze quando sono immerse in un campo magnetico esterno. Il paramagnetismo si riferisce alla proprietà di alcune specie, come l’ossigeno, che attraggono debolmente un campo magnetico applicato e fu scoperto nel 1845 da Michael Faraday e Pierre Curie scoprì la legge per le proprietà magnetiche dei materiali paramagnetici, nota come legge di Curie.

La legge afferma che la magnetizzazione di una sostanza paramagnetica è direttamente proporzionale al campo magnetico applicato. I materiali magnetici che mostrano paramagnetismo sono quei materiali che si magnetizzano debolmente quando esposti al campo magnetico esterno. Lo spin dei materiali paramagnetici è orientato in modo casuale e si dispone nella direzione del campo magnetico esterno.

Tali materiali magnetici perdono le loro proprietà magnetiche quando il campo magnetico esterno viene rimosso. I materiali paramagnetici sono importanti nel campo della scienza dei materiali in quanto sono utilizzati per varie applicazioni.

La maggior parte degli elementi sono paramagnetici, tuttavia, poiché la loro forza attrattiva è migliaia di volte più debole di quella dei materiali ferromagnetici, sono generalmente considerati anche non magnetici. Esempi di materiali paramagnetici sono: alluminio, platino, rame,  grafite, manganese e cromo.

Materiali diamagnetici

Il diamagnetismo è un magnetismo indotto che si verifica quando i materiali magnetici sono esposti a un forte campo magnetico esterno. Il diamagnetismo è una conseguenza della legge di Lenz secondo la quale se il flusso magnetico racchiuso in un circuito di corrente è modificato dall’applicazione di un campo magnetico, è indotta una corrente in una direzione tale che il campo magnetico corrispondente si oppone al campo applicato.

I materiali diamagnetici creano un debole campo magnetico nella direzione opposta in presenza di un campo magnetico esterno. Il risultato è che il materiale è respinto dal campo magnetico anziché attratto da esso, come con i materiali paramagnetici e ferromagnetici.

L’elettrone che ruota nell’orbita attorno al nucleo di un atomo equivale a una corrente e possiede un momento magnetico. Se l’orientamento delle orbite elettroniche è tale che la somma vettoriale del momento magnetico è zero, quindi non si ha momento magnetico risultante.

Quando è applicato un campo magnetico esterno, la velocità degli elettroni cambia e il momento magnetico si sviluppa in una direzione opposta a quella del campo magnetico applicato e la sostanza si comporta come un diamagnete.

Il diamagnetismo è una proprietà esibita da alcuni atomi, elementi e molecole dovuta al movimento orbitale degli elettroni la cui configurazione elettronica ha un ruolo cruciale nel determinare le sue proprietà diamagnetiche. La disposizione degli elettroni negli orbitali atomici o molecolari influenza infatti direttamente il loro comportamento magnetico.

Il diamagnetismo, scoperto nel 1778 dal fisico olandese Anton Brugmans, si verifica quando tutti gli elettroni di un atomo sono accoppiati negli orbitali. Quando sottoposti ad un campo magnetico applicato, gli elettroni riallineano il loro movimento orbitale in modo che i loro momenti magnetici siano opposti al campo esterno.

Di conseguenza, è generata una debole forza repulsiva tra gli atomi diamagnetici e il campo magnetico esterno. È importante notare che il diamagnetismo è inerente a tutti gli atomi. Tuttavia, diventa più evidente quando non sono presenti elettroni spaiati.

Tutti i materiali sono diamagnetici, nel senso che in un campo magnetico la corrente dell’elettrone orbitante genera una debole forza repulsiva. Alcuni materiali, tuttavia, hanno qualità paramagnetiche più forti che superano le loro naturali qualità diamagnetiche.

L’elemento che ha maggiori proprietà diamagnetiche è il bismuto che ha configurazione elettronica [Xe] 6s², 4f¹⁴,5d¹⁰, 6p³ e quindi ad eccezione dei tre elettroni spaiati nel livello 3p ha tutti elettroni appaiati. Pertanto, il suo diamagnetismo supera le sue tendenze paramagnetiche.

Un altro esempio di materiale diamagnetico è il rame che ha configurazione elettronica [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ , che ha tutti gli elettroni accoppiati nell’orbitale 3d e un elettrone spaiato nell’orbitale 4s. La presenza di elettroni accoppiati nell’orbitale 3d supera l’effetto paramagnetico dell’elettrone spaiato nell’orbitale 4s, portando ad un comportamento diamagnetico complessivo nel rame.

Materiali ferrimagnetici

Il ferrimagnetismo è una proprietà osservata nei materiali magnetici in cui i campi magnetici associati ai singoli atomi si allineano spontaneamente, alcuni parallelamente o nella stessa direzione come nel caso del ferromagnetismo, e altri generalmente antiparalleli o accoppiati in direzioni opposte come nel caso dell’antiferromagnetismo.

Similmente ai materiali che presentano ferromagnetismo, quelli che presentano ferrimagnetismo hanno un momento magnetico spontaneo ovvero, presentano un momento magnetico anche in assenza di un campo magnetico e isteresi al di sotto del loro punto di Curie, e si comportano mostrando paramagnetismo al di sopra di esso.

D’altro canto, similmente ai materiali che presentano antiferromagnetismo, i momenti magnetici dei materiali che presentano ferrimagnetismo si allineano antiparalleli tra loro, con la differenza che il momento magnetico netto è diverso da zero.

I materiali ferrimagnetici si distinguono dai materiali ferromagnetici e antiferromagnetici a causa della disposizione dei loro momenti magnetici e dalla dipendenza delle proprietà magnetiche risultanti dalla temperatura, che dipendono dai tipi di elementi nel materiale, dalla sua struttura cristallina e dall’elaborazione microstrutturale.

Nei materiali che mostrano ferrimagnetismo si hanno due sottoreticoli magnetici che possono essere presenti in taluni casi perché il materiale è costituito da due tipi di atomi magnetici e, in altri casi perché gli stessi atomi hanno due posizioni diverse nel reticolo cristallino che li fanno comportare in modo diverso. Entrambi i sottoreticoli si accoppiano antiferromagneticamente, ma poiché i loro momenti non sono uguali, si annullano a vicenda solo parzialmente e rimane una magnetizzazione macroscopica diversa da zero.

l primo materiale scoperto che mostra ferrimagnetismo è la magnetite Fe₃O₄ che si forma in vari contesti geologici, tra cui ambienti sedimentari, ignei e idrotermali. Ha una temperatura di Néel vicino a 587 °C. Gli anioni di ossigeno formano un reticolo cubico a facce centrate con cationi Fe ²⁺ e Fe ³⁺ nei siti interstiziali.

Altri esempi di materiali ferrimagnetici sono la trevorite ossido di nichel–ferro, presente nel minerale raro del supergruppo dello spinello NiFe₂O₄, la magnesioferrite ossido di magnesio-ferro MgFe₂O₄, la ferrite di manganese MnFe₂O4, la ferrite di bario BaFe₁₂O₁₉ e il granato di ferro e ittrio Y₃Fe₅O₁₂.

Materiali antiferromagnetici

L’antiferromagnetismo è la proprietà di cui godono alcuni materiali magnetici che orientano  i propri dipoli magnetici tutti paralleli in presenza di un campo magnetico esterno. I materiali antiferromagnetici sono simili ai materiali ferromagnetici, in quanto  il loro magnetismo deriva anche dal fenomeno cooperativo che forma domini ma con una netta differenza.

Questa forma di magnetismo è meglio compresa immaginando un materiale con due cationi che hanno momenti magnetici simili in essi ma con i loro momenti antiparalleli tra loro. Ciò si traduce in un momento magnetico netto pari a zero e, quando è applicato un campo magnetico esterno, il materiale si comporta in modo simile ai materiali paramagnetici.

I materiali antiferromagnetici possono essere distinti dai materiali paramagnetici in quanto il valore della suscettività magnetica χ aumenta con la temperatura, mentre χ diminuisce di valore all’aumentare della temperatura per i materiali paramagnetici. Tuttavia, quando la temperatura è aumentata oltre una certa soglia per i materiali antiferromagnetici, chiamata temperatura di Néel, l’agitazione termica supera gli effetti di interazione e la suscettività varia con la temperatura in modo molto simile ai materiali paramagnetici.

I materiali antiferromagnetici si trovano comunemente tra i composti di metalli di transizione, in particolare gli ossidi. Esempi includono ematite, metalli come cromo , leghe come ferro manganese (FeMn) e ossidi come l’ossido di nichel (NiO).

Un esempio di materiale magnetico che presenta antiferromagnetismo è il monossido di manganese che ha una semplice struttura cristallina di salgemma. Al di sotto della sua temperatura di Néel di circa 122 K, gli ioni di manganese mostrano un allineamento antiparallelo dei loro momenti magnetici, con conseguente magnetizzazione netta pari a zero.

Materiali superparamagnetici

Il superparamagnetismo è una forma di magnetismo che si manifesta in nanoparticelle ferromagnetiche o ferrimagnetiche. Il concetto di superparamagnetismo dei materiali magnetici nella scala nanometrica fu proposto per la prima volta da Yakov Frenkel e Doefman nel 1930 che predissero che le nanoparticelle realizzate con materiali magnetici avrebbero mostrato proprietà superparamagnetiche.

Il superparamagnetismo si ottiene quando cristalli ferromagnetici o ferrimagnetici vengono sintetizzati su scala nanometrica per ottenere solo una struttura a dominio singolo che può essere fortemente magnetizzata lungo la direzione del campo magnetico esterno.

I materiali superparamagnetici sono costituiti da singoli domini di elementi che hanno proprietà ferromagnetiche o ferrimagnetiche in massa. La loro suscettività magnetica è compresa tra quella dei materiali ferromagnetici e paramagnetici. Esempi di materiali superparamagnetici includono agenti di contrasto contenenti metalli di transizione, solitamente ossidi, o molecole contenenti metalli di transizione o materiali magnetici delle terre rare.

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica