Magnetismo - Magnetism

Un quadrupolo magnetico

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Elettrostatica Carica elettrica Legge di Coulomb Conduttore Densità di carica Permissività Momento di dipolo elettrico Campo elettrico Potenziale elettrico Flusso elettrico  / energia potenziale Scarica elettrostatica legge di Gauss Induzione Isolante Densità di polarizzazione Elettricità statica Triboelettricità
Magnetostatica legge di Ampère Legge di Biot-Savart Legge di Gauss per il magnetismo Campo magnetico Flusso magnetico Momento di dipolo magnetico Permeabilità magnetica Potenziale scalare magnetico Magnetizzazione Forza magnetomotrice Potenziale vettore magnetico Regola della mano destra
Elettrodinamica Legge delle forze di Lorentz Induzione elettromagnetica Legge di Faraday legge di Lenz Corrente di spostamento equazioni di Maxwell Campo elettromagnetico Impulso elettromagnetico Radiazioni elettromagnetiche tensore di Maxwell Vettore di Poynting Potenziale di Liénard-Wiechert Equazioni di Jefimenko Correnti parassite equazioni di Londra Descrizioni matematiche del campo elettromagnetico
Rete elettrica Corrente alternata Capacità Corrente continua Corrente elettrica Elettrolisi Densità corrente Riscaldamento Joule Forza elettromotiva Impedenza Induttanza Legge di Ohm Circuito parallelo Resistenza Cavità risonanti Circuiti in serie Voltaggio Guide d'onda
Formulazione covariante Tensore elettromagnetico ( tensore stress-energia ) Quattro correnti Elettromagnetico a quattro potenziali
Scienziati Ampere Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Cantante Tesla Voltaggio Weber Poisson
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Il magnetismo è una classe di attributi fisici mediati da campi magnetici . Le correnti elettriche e i momenti magnetici delle particelle elementari danno origine a un campo magnetico, che agisce su altre correnti e momenti magnetici. Il magnetismo è un aspetto del fenomeno combinato dell'elettromagnetismo . Gli effetti più noti si verificano nei materiali ferromagnetici , che sono fortemente attratti dai campi magnetici e possono essere magnetizzati per diventare magneti permanenti , producendo essi stessi campi magnetici. È anche possibile smagnetizzare un magnete. Solo poche sostanze sono ferromagnetiche; i più comuni sono ferro , cobalto e nichel e loro leghe. I metalli delle terre rare neodimio e samario sono esempi meno comuni. Il prefisso ferro si riferisce al ferro , perché il magnetismo permanente è stato osservato per la prima volta nella calamita , una forma di minerale di ferro naturale chiamato magnetite , Fe ₃ O ₄ .

Tutte le sostanze mostrano un certo tipo di magnetismo. I materiali magnetici sono classificati in base alla loro suscettibilità alla massa. Il ferromagnetismo è responsabile della maggior parte degli effetti del magnetismo riscontrati nella vita di tutti i giorni, ma in realtà esistono diversi tipi di magnetismo. Le sostanze paramagnetiche , come l' alluminio e l' ossigeno , sono debolmente attratte da un campo magnetico applicato; le sostanze diamagnetiche , come rame e carbonio , sono debolmente respinte; mentre i materiali antiferromagnetici , come il cromo ei vetri di spin , hanno una relazione più complessa con un campo magnetico. La forza di un magnete su materiali paramagnetici, diamagnetici e antiferromagnetici è solitamente troppo debole per essere percepita e può essere rilevata solo da strumenti di laboratorio, quindi nella vita di tutti i giorni queste sostanze sono spesso descritte come non magnetiche.

Lo stato magnetico (o fase magnetica) di un materiale dipende dalla temperatura, dalla pressione e dal campo magnetico applicato. Un materiale può presentare più di una forma di magnetismo al variare di queste variabili.

L'intensità di un campo magnetico diminuisce quasi sempre con la distanza, sebbene l'esatta relazione matematica tra forza e distanza vari. Diverse configurazioni di momenti magnetici e correnti elettriche possono provocare complicati campi magnetici.

Sono stati osservati solo dipoli magnetici , anche se alcune teorie prevedono l'esistenza di monopoli magnetici .

Storia

Magnetite , una calamita naturale , che attira chiodi di ferro. Gli antichi umani scoprirono la proprietà del magnetismo dalla calamita.

Un'illustrazione del 1600 De Magnete di Gilbert che mostra uno dei primi metodi per realizzare un magnete. Un fabbro tiene un pezzo di ferro rovente in direzione nord-sud e lo martella mentre si raffredda. Il campo magnetico della Terra allinea i domini, lasciando il ferro un debole magnete.

Disegno di un trattamento medico con spazzole magnetiche. Carlo Giacomo 1843, Francia.

Il magnetismo fu scoperto per la prima volta nel mondo antico, quando le persone notarono che le calamite , pezzi naturalmente magnetizzati del minerale magnetite , potevano attrarre il ferro. La parola magnete deriva dal termine greco μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , "la pietra magnesiaca, calamita". Nell'antica Grecia, Aristotele attribuì la prima di quella che potrebbe essere definita una discussione scientifica sul magnetismo al filosofo Talete di Mileto , che visse dal 625 a.C. circa al 545 a.C. circa. L' antico testo medico indiano Sushruta Samhita descrive l'uso della magnetite per rimuovere le frecce incastonate nel corpo di una persona.

In Cina antica , il primo riferimento letterario alle menzogne magnetismo in un libro BC 4 ° secolo, dal nome del suo autore, Guiguzi . Anche gli annali del II secolo a.C., Lüshi Chunqiu , osservano: "La calamita fa avvicinare il ferro; alcuni (forza) lo stanno attraendo". La prima menzione dell'attrazione di un ago è in un'opera del I secolo Lunheng ( Ricerche bilanciate ): "Una calamita attira un ago". Lo scienziato cinese dell'XI secolo Shen Kuo fu la prima persona a scrivere, nei Dream Pool Essays , della bussola ad ago magnetico e che migliorava la precisione della navigazione impiegando il concetto astronomico del vero nord . Nel XII secolo si sapeva che i cinesi usavano la bussola calamita per la navigazione. Hanno scolpito un cucchiaio direzionale dalla calamita in modo tale che il manico del cucchiaio fosse sempre rivolto a sud.

Alexander Neckam , nel 1187, fu il primo in Europa a descrivere la bussola e il suo uso per la navigazione. Nel 1269, Peter Peregrinus de Maricourt scrisse l' Epistola de magnete , il primo trattato esistente che descrive le proprietà dei magneti. Nel 1282, le proprietà dei magneti e delle bussole a secco furono discusse da Al-Ashraf Umar II , un fisico , astronomo e geografo yemenita .

L'unica opera esistente di Leonardo Garzoni , i Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita , è il primo esempio noto di una moderna trattazione dei fenomeni magnetici. Scritto negli anni prossimi al 1580 e mai pubblicato, il trattato ebbe un'ampia diffusione. In particolare, Garzoni è indicato come esperto di magnetismo da Niccolò Cabeo, la cui Philosophia Magnetica (1629) è solo un riadattamento dell'opera di Garzoni. Il trattato di Garzoni era noto anche a Giovanni Battista Della Porta .

Nel 1600, William Gilbert pubblicò il suo De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( Sul magnete e sui corpi magnetici, e sul grande magnete la Terra ). In questo lavoro descrive molti dei suoi esperimenti con il suo modello di terra chiamato terrella . Dai suoi esperimenti, concluse che la Terra stessa era magnetica e che questo era il motivo per cui le bussole puntavano verso nord (in precedenza, alcuni credevano che fosse la stella polare ( Polaris ) o una grande isola magnetica sul polo nord ad attirare la bussola).

La comprensione della relazione tra elettricità e magnetismo iniziò nel 1819 con il lavoro di Hans Christian Ørsted , professore all'Università di Copenaghen, che scoprì, a causa della contrazione accidentale dell'ago di una bussola vicino a un filo, che una corrente elettrica poteva creare un campo magnetico. Questo esperimento fondamentale è noto come Esperimento di Ørsted. Seguirono diversi altri esperimenti, con André-Marie Ampère , che nel 1820 scoprì che il campo magnetico che circola in un percorso chiuso era correlato alla corrente che scorre attraverso una superficie racchiusa dal percorso; Carl Friedrich Gauss ; Jean-Baptiste Biot e Félix Savart , entrambi nel 1820 inventarono la legge di Biot-Savart che fornisce un'equazione per il campo magnetico da un filo percorso da corrente; Michael Faraday , che nel 1831 scoprì che un flusso magnetico variabile nel tempo attraverso un anello di filo induceva una tensione, e altri trovarono ulteriori collegamenti tra magnetismo ed elettricità. James Clerk Maxwell ha sintetizzato e ampliato queste intuizioni nelle equazioni di Maxwell , unificando l'elettricità, il magnetismo e l' ottica nel campo dell'elettromagnetismo . Nel 1905, Albert Einstein usò queste leggi per motivare la sua teoria della relatività ristretta , richiedendo che le leggi fossero vere in tutti i sistemi di riferimento inerziali .

L'elettromagnetismo ha continuato a svilupparsi nel 21° secolo, essendo incorporato nelle teorie più fondamentali della teoria di gauge , dell'elettrodinamica quantistica , della teoria elettrodebole e infine del modello standard .

Fonti

Il magnetismo, alla sua radice, deriva da due fonti:

1. Corrente elettrica .
2. Momenti magnetici di spin di particelle elementari .

Le proprietà magnetiche dei materiali sono dovute principalmente ai momenti magnetici degli elettroni orbitanti dei loro atomi . I momenti magnetici dei nuclei degli atomi sono tipicamente migliaia di volte più piccoli dei momenti magnetici degli elettroni, quindi sono trascurabili nel contesto della magnetizzazione dei materiali. I momenti magnetici nucleari sono tuttavia molto importanti in altri contesti, in particolare nella risonanza magnetica nucleare (NMR) e nella risonanza magnetica (MRI).

Normalmente, l'enorme numero di elettroni in un materiale sono disposti in modo tale che i loro momenti magnetici (sia orbitali che intrinseci) si annullano. Ciò è dovuto, in una certa misura, agli elettroni che si combinano in coppie con momenti magnetici intrinseci opposti come risultato del principio di esclusione di Pauli (vedi configurazione elettronica ), e che si combinano in subshell pieni con movimento orbitale netto zero. In entrambi i casi, gli elettroni adottano preferenzialmente disposizioni in cui il momento magnetico di ciascun elettrone viene annullato dal momento opposto di un altro elettrone. Inoltre, anche quando la configurazione elettronica è tale che ci sono elettroni spaiati e/o subshell non riempiti, è spesso il caso che i vari elettroni nel solido contribuiscano a momenti magnetici che puntano in direzioni diverse e casuali in modo che il materiale non essere magnetico.

A volte, spontaneamente o a causa di un campo magnetico esterno applicato, ciascuno dei momenti magnetici dell'elettrone sarà, in media, allineato. Un materiale adatto può quindi produrre un forte campo magnetico netto.

Il comportamento magnetico di un materiale dipende dalla sua struttura, in particolare dalla sua configurazione elettronica , per i motivi sopra citati, e anche dalla temperatura. Ad alte temperature, il movimento termico casuale rende più difficile per gli elettroni mantenere l'allineamento.

Tipi di magnetismo

Gerarchia dei tipi di magnetismo.

diamagnetismo

Il diamagnetismo compare in tutti i materiali ed è la tendenza di un materiale ad opporsi ad un campo magnetico applicato, e quindi, ad essere respinto da un campo magnetico. Tuttavia, in un materiale con proprietà paramagnetiche (cioè con la tendenza ad aumentare un campo magnetico esterno), il comportamento paramagnetico domina. Pertanto, nonostante la sua presenza universale, il comportamento diamagnetico si osserva solo in un materiale puramente diamagnetico. In un materiale diamagnetico, non ci sono elettroni spaiati, quindi i momenti magnetici intrinseci dell'elettrone non possono produrre alcun effetto di massa. In questi casi, la magnetizzazione deriva dai moti orbitali degli elettroni, che possono essere intesi classicamente come segue:

Quando un materiale viene messo in un campo magnetico, gli elettroni che circondano il nucleo sperimenteranno, oltre alla loro attrazione di Coulomb verso il nucleo, una forza di Lorentz dal campo magnetico. A seconda della direzione in cui orbita l'elettrone, questa forza può aumentare la forza centripeta sugli elettroni, attirandoli verso il nucleo, oppure può diminuire la forza, allontanandoli dal nucleo. Questo effetto aumenta sistematicamente i momenti magnetici orbitali che erano allineati di fronte al campo e diminuisce quelli allineati parallelamente al campo (secondo la legge di Lenz ). Ciò si traduce in un piccolo momento magnetico di massa, con una direzione opposta al campo applicato.

Questa descrizione è intesa solo come euristica ; il teorema di Bohr-Van Leeuwen mostra che il diamagnetismo è impossibile secondo la fisica classica e che una corretta comprensione richiede una descrizione quantomeccanica .

Tutti i materiali subiscono questa risposta orbitale. Tuttavia, nelle sostanze paramagnetiche e ferromagnetiche, l'effetto diamagnetico è sopraffatto dagli effetti molto più forti causati dagli elettroni spaiati.

Paramagnetismo

In un materiale paramagnetico ci sono elettroni spaiati ; cioè, orbitali atomici o molecolari con esattamente un elettrone in essi. Mentre gli elettroni accoppiati sono richiesti dal principio di esclusione di Pauli per avere i loro momenti magnetici intrinseci ("spin") rivolti in direzioni opposte, causando l'annullamento dei loro campi magnetici, un elettrone spaiato è libero di allineare il suo momento magnetico in qualsiasi direzione. Quando viene applicato un campo magnetico esterno, questi momenti magnetici tenderanno ad allinearsi nella stessa direzione del campo applicato, rinforzandolo.

Ferromagnetismo

Un ferromagnete, come una sostanza paramagnetica, ha elettroni spaiati. Tuttavia, oltre alla tendenza del momento magnetico intrinseco degli elettroni ad essere parallelo a un campo applicato, c'è anche in questi materiali una tendenza per questi momenti magnetici ad orientarsi parallelamente l'uno all'altro per mantenere uno stato di energia ridotta. Pertanto, anche in assenza di un campo applicato, i momenti magnetici degli elettroni nel materiale si allineano spontaneamente parallelamente l'uno all'altro.

Ogni sostanza ferromagnetica ha una sua temperatura individuale, chiamata temperatura di Curie , o punto di Curie, al di sopra della quale perde le sue proprietà ferromagnetiche. Questo perché la tendenza termica al disordine prevale sull'abbassamento di energia dovuto all'ordine ferromagnetico.

Il ferromagnetismo si verifica solo in poche sostanze; quelli comuni sono ferro , nichel , cobalto , loro leghe e alcune leghe di metalli delle terre rare.

Domini magnetici

Confini dei domini magnetici (linee bianche) in materiale ferromagnetico (rettangolo nero)

Effetto di un magnete sui domini

I momenti magnetici degli atomi in un materiale ferromagnetico fanno sì che si comportino come piccoli magneti permanenti. Si attaccano e si allineano in piccole regioni di allineamento più o meno uniforme chiamate domini magnetici o domini di Weiss . I domini magnetici possono essere osservati con un microscopio a forza magnetica per rivelare i confini del dominio magnetico che assomigliano a linee bianche nello schizzo. Ci sono molti esperimenti scientifici che possono mostrare fisicamente i campi magnetici.

Quando un dominio contiene troppe molecole, diventa instabile e si divide in due domini allineati in direzioni opposte, in modo che aderiscano più stabilmente, come mostrato a destra.

Quando esposti a un campo magnetico, i confini del dominio si spostano, in modo che i domini allineati con il campo magnetico crescano e dominino la struttura (area tratteggiata gialla), come mostrato a sinistra. Quando il campo magnetizzante viene rimosso, i domini potrebbero non tornare allo stato non magnetizzato. Ciò si traduce nella magnetizzazione del materiale ferromagnetico, formando un magnete permanente.

Quando magnetizzato abbastanza forte che il dominio prevalente supera tutti gli altri per risultare in un solo singolo dominio, il materiale è saturato magneticamente . Quando un materiale ferromagnetico magnetizzato viene riscaldato alla temperatura del punto di Curie , le molecole vengono agitate al punto che i domini magnetici perdono l'organizzazione e le proprietà magnetiche che provocano cessano. Quando il materiale viene raffreddato, questa struttura di allineamento del dominio ritorna spontaneamente, in un modo approssimativamente analogo a come un liquido può congelare in un solido cristallino.

Antiferromagnetismo

Ordinamento antiferromagnetico

In un antiferromagnete , a differenza di un ferromagnete, c'è una tendenza per i momenti magnetici intrinseci degli elettroni di valenza vicini a puntare in direzioni opposte . Quando tutti gli atomi sono disposti in una sostanza in modo che ogni vicino sia antiparallelo, la sostanza è antiferromagnetica . Gli antiferromagneti hanno un momento magnetico netto nullo, il che significa che nessun campo viene prodotto da loro. Gli antiferromagneti sono meno comuni rispetto agli altri tipi di comportamenti e si osservano per lo più a basse temperature. A temperature variabili, gli antiferromagneti mostrano proprietà diamagnetiche e ferromagnetiche.

In alcuni materiali, gli elettroni vicini preferiscono puntare in direzioni opposte, ma non esiste una disposizione geometrica in cui ogni coppia di vicini sia antiallineata. Questo è chiamato vetro di rotazione ed è un esempio di frustrazione geometrica .

ferrimagnetismo

Ordinamento ferrimagnetico

Come il ferromagnetismo, i ferrimagneti mantengono la loro magnetizzazione in assenza di campo. Tuttavia, come gli antiferromagneti, le coppie vicine di spin di elettroni tendono a puntare in direzioni opposte. Queste due proprietà non sono contraddittorie, perché nella disposizione geometrica ottimale, c'è più momento magnetico dal sottoreticolo degli elettroni che puntano in una direzione, che dal sottoreticolo che punta nella direzione opposta.

La maggior parte delle ferriti sono ferrimagnetiche. La prima sostanza magnetica scoperta, la magnetite , è una ferrite e originariamente si credeva fosse un ferromagnete; Louis Néel lo confutò, tuttavia, dopo aver scoperto il ferrimagnetismo.

Superparamagnetismo

Quando un ferromagnete o ferrimagnete è sufficientemente piccolo, si comporta come un singolo spin magnetico soggetto al moto browniano . La sua risposta a un campo magnetico è qualitativamente simile alla risposta di un paramagnete, ma molto più grande.

Altri tipi di magnetismo

• metamagnetismo
• Magneti a base di molecole
• Magnete a molecola singola
• Gira il bicchiere

Elettromagnete

Un elettromagnete attira graffette quando viene applicata corrente creando un campo magnetico. L'elettromagnete li perde quando la corrente e il campo magnetico vengono rimossi.

Un elettromagnete è un tipo di magnete in cui il campo magnetico è prodotto da una corrente elettrica . Il campo magnetico scompare quando viene tolta la corrente. Gli elettromagneti di solito consistono in un gran numero di spire di filo ravvicinate che creano il campo magnetico. Le spire del filo sono spesso avvolte attorno ad un nucleo magnetico costituito da un materiale ferromagnetico o ferrimagnetico come il ferro ; il nucleo magnetico concentra il flusso magnetico e crea un magnete più potente.

Il vantaggio principale di un elettromagnete rispetto a un magnete permanente è che il campo magnetico può essere modificato rapidamente controllando la quantità di corrente elettrica nell'avvolgimento. Tuttavia, a differenza di un magnete permanente che non necessita di alimentazione, un elettromagnete richiede un'alimentazione continua di corrente per mantenere il campo magnetico.

Gli elettromagneti sono ampiamente utilizzati come componenti di altri dispositivi elettrici, come motori , generatori , relè , solenoidi, altoparlanti , dischi rigidi , macchine per la risonanza magnetica , strumenti scientifici e apparecchiature di separazione magnetica . Gli elettromagneti sono anche impiegati nell'industria per raccogliere e spostare oggetti pesanti di ferro come rottami di ferro e acciaio. L'elettromagnetismo fu scoperto nel 1820.

Magnetismo, elettricità e relatività ristretta

Come conseguenza della teoria della relatività speciale di Einstein, elettricità e magnetismo sono fondamentalmente interconnessi. Sia il magnetismo privo di elettricità, sia l'elettricità senza magnetismo, sono incompatibili con la relatività speciale, a causa di effetti come la contrazione della lunghezza , la dilatazione del tempo e il fatto che la forza magnetica dipende dalla velocità. Tuttavia, quando vengono presi in considerazione sia l'elettricità che il magnetismo, la teoria risultante ( elettromagnetismo ) è pienamente coerente con la relatività speciale. In particolare, un fenomeno che appare puramente elettrico o puramente magnetico a un osservatore può essere un mix di entrambi a un altro, o più in generale i contributi relativi di elettricità e magnetismo dipendono dal sistema di riferimento. Pertanto, la relatività speciale "mescola" elettricità e magnetismo in un unico, inseparabile fenomeno chiamato elettromagnetismo , analogo a come la relatività "mescola" spazio e tempo nello spaziotempo .

Tutte le osservazioni sull'elettromagnetismo si applicano a quello che potrebbe essere considerato principalmente magnetismo, ad esempio le perturbazioni nel campo magnetico sono necessariamente accompagnate da un campo elettrico diverso da zero e si propagano alla velocità della luce .

Campi magnetici in un materiale

Nel vuoto,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H},}$

dove μ ₀ è la permeabilità al vuoto .

In un materiale,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} ).\ }$

La quantità μ ₀ M è chiamata polarizzazione magnetica .

Se il campo H è piccolo, la risposta della magnetizzazione M in un diamagneto o paramagnete è approssimativamente lineare:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H},}$

la costante di proporzionalità è chiamata suscettività magnetica. Se è così,

${\displaystyle \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M})\ =\ \mu _{0}(1+\chi)\mathbf {H} \ =\ \mu _{r }\mu _{0}\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H} .}$

In un magnete duro come un ferromagnete, M non è proporzionale al campo ed è generalmente diverso da zero anche quando H è zero (vedi Rimanenza ).

Forza magnetica

Linee di forza magnetiche di un magnete a barra mostrate da limatura di ferro su carta

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Rilevamento del campo magnetico con bussola e con limatura di ferro

Il fenomeno del magnetismo è "mediato" dal campo magnetico. Una corrente elettrica o un dipolo magnetico crea un campo magnetico e quel campo, a sua volta, impartisce forze magnetiche ad altre particelle che si trovano nei campi.

Le equazioni di Maxwell, che nel caso di correnti stazionarie semplificano la legge di Biot-Savart , descrivono l'origine e il comportamento dei campi che governano queste forze. Pertanto, il magnetismo si osserva ogni volta che particelle cariche elettricamente sono in movimento, ad esempio dal movimento degli elettroni in una corrente elettrica o, in alcuni casi, dal movimento orbitale degli elettroni attorno al nucleo di un atomo. Derivano anche da dipoli magnetici "intrinseci" derivanti dallo spin quantomeccanico .

Le stesse situazioni che creano campi magnetici - carica che si muove in una corrente o in un atomo, e dipoli magnetici intrinseci - sono anche le situazioni in cui un campo magnetico ha un effetto, creando una forza. Di seguito è riportata la formula per la carica in movimento; per le forze su un dipolo intrinseco, vedere dipolo magnetico.

Quando una particella carica si muove attraverso un campo magnetico B , sente una forza di Lorentz F data dal prodotto vettoriale :

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B})}$

dove

${\displaystyle q}$ è la carica elettrica della particella, e

v è il vettore velocità della particella

Poiché questo è un prodotto incrociato, la forza è perpendicolare sia al movimento della particella che al campo magnetico. Ne consegue che la forza magnetica non fa lavoro sulla particella; può cambiare la direzione del movimento della particella, ma non può farla accelerare o rallentare. Il modulo della forza è

${\displaystyle F=qvB\sin \theta \,}$

dove è l'angolo tra v e B . ${\displaystyle \theta}$

Uno strumento per determinare la direzione del vettore velocità di una carica in movimento, il campo magnetico e la forza esercitata è etichettare il dito indice "V", il dito medio "B" e il pollice "F" con la mano destra. Quando si effettua una configurazione simile a una pistola, con il dito medio che si incrocia sotto l'indice, le dita rappresentano rispettivamente il vettore di velocità, il vettore del campo magnetico e il vettore di forza. Vedi anche regola della mano destra .

dipoli magnetici

Una sorgente molto comune di campo magnetico presente in natura è un dipolo , con un " polo sud " e un " polo nord ", termini risalenti all'uso dei magneti come bussole, che interagiscono con il campo magnetico terrestre per indicare il nord e il sud su il globo . Poiché le estremità opposte dei magneti sono attratte, il polo nord di un magnete è attratto dal polo sud di un altro magnete. Il Polo Nord Magnetico della Terra (attualmente nell'Oceano Artico, a nord del Canada) è fisicamente un polo sud, poiché attrae il polo nord di una bussola. Un campo magnetico contiene energia e i sistemi fisici si spostano verso configurazioni con energia inferiore. Quando il materiale diamagnetico viene posto in un campo magnetico, un dipolo magnetico tende ad allinearsi in polarità opposta a quel campo, abbassando così l'intensità del campo netto. Quando il materiale ferromagnetico viene posto all'interno di un campo magnetico, i dipoli magnetici si allineano al campo applicato, espandendo così le pareti dei domini dei domini magnetici.

Monopoli magnetici

Poiché un magnete a barra ottiene il suo ferromagnetismo da elettroni distribuiti uniformemente in tutta la barra, quando un magnete a barra viene tagliato a metà, ciascuno dei pezzi risultanti è un magnete a barra più piccolo. Anche se si dice che un magnete abbia un polo nord e un polo sud, questi due poli non possono essere separati l'uno dall'altro. Un monopolo, se esiste una cosa del genere, sarebbe un tipo nuovo e fondamentalmente diverso di oggetto magnetico. Agirebbe come un polo nord isolato, non attaccato a un polo sud, o viceversa. I monopoli porterebbero una "carica magnetica" analoga alla carica elettrica. Nonostante le ricerche sistematiche dal 1931, a partire dal 2010, non sono mai state osservate e potrebbero benissimo non esistere.

Tuttavia, alcuni modelli di fisica teorica prevedono l'esistenza di questi monopoli magnetici . Paul Dirac osservò nel 1931 che, poiché l'elettricità e il magnetismo mostrano una certa simmetria , proprio come la teoria quantistica prevede che singole cariche elettriche positive o negative possono essere osservate senza la carica opposta, dovrebbero essere osservabili poli magnetici sud o nord isolati. Usando la teoria quantistica, Dirac ha mostrato che se esistono monopoli magnetici, allora si potrebbe spiegare la quantizzazione della carica elettrica, cioè perché le particelle elementari osservate trasportano cariche che sono multiple della carica dell'elettrone.

Alcune teorie di grande unificazione prevedono l'esistenza di monopoli che, a differenza delle particelle elementari, sono solitoni (pacchetti di energia localizzati). I risultati iniziali dell'utilizzo di questi modelli per stimare il numero di monopoli creati nel Big Bang contraddicevano le osservazioni cosmologiche: i monopoli sarebbero stati così abbondanti e massicci da fermare da tempo l'espansione dell'universo. Tuttavia, l'idea dell'inflazione (per la quale questo problema è servito come motivazione parziale) è riuscita a risolvere questo problema, creando modelli in cui esistevano monopoli ma erano abbastanza rari da essere coerenti con le osservazioni attuali.

Unità

SI

Altro

• gauss - il centimetro-grammo-secondo (CGS) unità di campo magnetico (indicato B ).
• oersted - l'unità CGS del campo magnetizzante (indicato con H )
• maxwell – l'unità CGS per il flusso magnetico
• gamma - un'unità di densità del flusso magnetico che era comunemente usata prima che il tesla entrasse in uso (1,0 gamma = 1,0 nanotesla)
• μ ₀ – simbolo comune per la permeabilità dello spazio libero ( 4π × 10 ⁻⁷ newton /( ampere-giro ) ² )

Esseri viventi

Una rana viva levita all'interno di un foro verticale di 32 mm di diametro di un solenoide di Bitter in un campo magnetico molto forte, circa 16 tesla

Alcuni organismi possono rilevare i campi magnetici, un fenomeno noto come magnetocezione . Alcuni materiali negli esseri viventi sono ferromagnetici, sebbene non sia chiaro se le proprietà magnetiche svolgano una funzione speciale o siano semplicemente un sottoprodotto del contenuto di ferro. Ad esempio, i chitoni , un tipo di mollusco marino, producono magnetite per indurire i denti e persino gli esseri umani producono magnetite nei tessuti corporei. La magnetobiologia studia gli effetti dei campi magnetici sugli organismi viventi; i campi prodotti naturalmente da un organismo sono noti come biomagnetismo . Molti organismi biologici sono per lo più fatti di acqua, e poiché l'acqua è diamagnetica , campi magnetici estremamente forti possono respingere questi esseri viventi.

Origine quantomeccanica del magnetismo

Mentre le spiegazioni euristiche basate sulla fisica classica possono essere formulate, il diamagnetismo, il paramagnetismo e il ferromagnetismo possono essere completamente spiegati solo usando la teoria quantistica. Un modello di successo fu sviluppato già nel 1927, da Walter Heitler e Fritz London , che dedussero, in termini quantistici, come le molecole di idrogeno si formano dagli atomi di idrogeno, cioè dagli orbitali atomici dell'idrogeno e centrate nei nuclei A e B , vedi sotto. Che questo porti al magnetismo non è affatto ovvio, ma verrà spiegato in seguito. ${\displaystyle u_{A}}$${\displaystyle u_{B}}$

Secondo la teoria di Heitler-London, si formano i cosiddetti orbitali molecolari a due corpi , ovvero l'orbitale risultante è: ${\displaystyle \sigma}$

${\displaystyle \psi (\mathbf {r} _{1},\,\,\mathbf {r} _{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\ left(u_{A}(\mathbf {r} _{1})u_{B}(\mathbf {r} _{2})+u_{B}(\mathbf {r} _{1})u_{ A}(\mathbf {r} _{2})\right)}$

Qui l'ultimo prodotto significa che un primo elettrone, r ₁ , si trova in un orbitale atomico idrogeno centrato nel secondo nucleo, mentre il secondo elettrone gira intorno al primo nucleo. Questo fenomeno di "scambio" è un'espressione della proprietà quantomeccanica che le particelle con proprietà identiche non possono essere distinte. È specifico non solo per la formazione di legami chimici , ma anche per il magnetismo. Cioè, a questo proposito sorge il termine interazione di scambio , termine essenziale per l'origine del magnetismo, e che è più forte, all'incirca di fattori 100 e anche di 1000, delle energie derivanti dall'interazione elettrodinamica dipolo-dipolo.

Per quanto riguarda la funzione di spin , responsabile del magnetismo, abbiamo il già citato principio di Pauli, cioè che un orbitale simmetrico (cioè con il segno + come sopra) deve essere moltiplicato con una funzione di spin antisimmetrica (cioè con il segno −) , e viceversa . Così: ${\displaystyle \chi (s_{1},s_{2})}$

${\displaystyle \chi (s_{1},\,\,s_{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(\alpha (s_{1}) \beta (s_{2})-\beta (s_{1})\alpha (s_{2})\right)}$,

Cioè, non solo e deve essere sostituito rispettivamente da α e β (la prima entità significa "spin up", la seconda "spin down"), ma anche il segno + dal segno −, e infine r _i dal discreto valori s _i (= ±½); quindi abbiamo e . Lo " stato singoletto ", cioè il segno −, significa: gli spin sono antiparalleli , cioè per il solido si ha l' antiferromagnetismo , e per le molecole biatomiche si ha il diamagnetismo . La tendenza a formare un legame chimico (omeopolare) (questo significa: la formazione di un orbitale molecolare simmetrico , cioè con il segno +) si traduce per il principio di Pauli automaticamente in uno stato di spin antisimmetrico (cioè con il segno −). Al contrario, la repulsione coulombiana degli elettroni, cioè la tendenza che cercano di evitarsi l'un l'altro mediante questa repulsione, porterebbe ad una funzione orbitale antisimmetrica (cioè con il segno −) di queste due particelle, e complementare ad una funzione di spin simmetrico (cioè con il segno +, una delle cosiddette " funzioni tripletta "). Quindi, ora gli spin sarebbero paralleli ( ferromagnetismo in un solido, paramagnetismo in gas biatomici). ${\displaystyle u_{A}}$${\displaystyle u_{B}}$${\displaystyle \alpha (+1/2)=\beta (-1/2)=1}$${\displaystyle \alpha (-1/2)=\beta (+1/2)=0}$

Quest'ultima tendenza domina nei metalli ferro , cobalto e nichel , e in alcune terre rare, che sono ferromagnetiche . La maggior parte degli altri metalli, dove domina la prima tendenza menzionata, sono non magnetici (es. sodio , alluminio e magnesio ) o antiferromagnetici (es. manganese ). I gas biatomici sono anche quasi esclusivamente diamagnetici e non paramagnetici. Tuttavia, la molecola dell'ossigeno, a causa del coinvolgimento degli orbitali , è un'eccezione importante per le scienze della vita.

Le considerazioni di Heitler-London possono essere generalizzate al modello di magnetismo di Heisenberg (Heisenberg 1928).

La spiegazione dei fenomeni è quindi essenzialmente basata su tutte le sottigliezze della meccanica quantistica, mentre l'elettrodinamica copre principalmente la fenomenologia.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

Bibliografia

• Gli snack scientifici dell'Exploratorium – Oggetto: Fisica/Elettricità e magnetismo
• Una collezione di strutture magnetiche – MAGNDATA