Fisica 5 °A anno scolastico 2006/2007

Campi magnetici all'interno di oggetti materiali

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Premesse

Gli oggetti materiali rispondono in modo diverso alla presenza di un campo magnetico esterno.

In generale si osserva che gli oggetti materiali tendono ad opporsi al campo magnetico esterno, che viene visto essere la causa di una perturbazione che modifica l'equilibrio precedentemente instautatasi tra i componemti atomici dell'oggetto materiale immerso nel campo magnetico esterno.

In generale abbiamo tre situazioni:

  1. Gli atomi reagiscono in modo da indebolire il campo magnetico esterno (anche se di poco).
  2. Gli atomi sono costretti ad alineare i campi magnetici atomici e pertanto rinforzano il campo magnetico esterno (anche se di poco).
  3. La materia risponde in modo di intensificare di migliaia di volte il campo magnetico esterno.

Parleremo nei vari casi di

DIAMAGNETISMO, PARAMAGNETISMO, FERROMAGNETISMO.

Diamagnetismo

Linee di forza rettilineeIn ogni atomo abbiamo su ogni sottolivello 2 elettroni (escudiamo per il momento gli elettroni di valenza), che originano due campi magnetici opposti. L'elettrone che associamo allo spin UP si può vedere come un elettrone che si muove (modello semi-classico) lungo una traiettoria circolare ad una velocità dell'ordine di grandezza di 10 5 m/sec su una traiettoria circolare lunga circa 6 10-10metri . Tale elettrone percorre milioni o miliardi di volte la traiettoria circolare ogni secondo. Può essere vista come una corrente elettrica di intensità non indiferente che si propaga in una spira circolare. Il campo magnetico massimo prodotto è perpendicolare al piano su cui avviene il moto e ha una intensità direttamente propozionale alla velocità con cui si muove l'elettrone, analogo a quanto visto per la spira elementare.

Effetto di un campo magnetico sul moto degli elettroni.

1° Caso. Si consideri l’elettrone in moto attorno al nucleo come in figura

1 Il moto è antiorario, B entra nel piano dell’orbita, il momento magnetico m è entrante( praticamente il verso del campo magnetico assiale). In questo caso  l'elettrone rallenta e la sua velocità angolare diminuisce del valore che assoceremo alla precessione di Larmor
ω = ω0- ωLarmor

Si possono fare le seguenti considerazioni :

la diminuzione di ω comporta una diminuzione della velocità v
L a diminuzione di v comporta un aumento del periodo
L’aumento del periodo comporta una diminuzione della corrente associata
La diminuzione della corrente omporta una diminuzione del momento magnetico (associato al valore del campo magnetico assiale).

2° Caso.

2 Il moto è orario, B entra nel piano dell’orbita, il momento magnetico m è uscente. In questo caso 
ω = ω0Larmor

Si possono fare le seguenti considerazioni :

 

L’aumento di ω comporta un’aumento della velocità v
l’aumento di v comporta una diminuzione del periodo
La diminuzione del periodo comporta un aumento della corrente associata
L’aumento della corrente comporta un aumento del momento magnetico

Se si considera l’interazione campo magnetico intrinseco del sistema, avente la direzione di m e campo esterno B e si prende il verso di B come positivo, in entrambi i casi la forza di Lorentz provoca una diminuzione di m e quindi una debole diminuzione del campo complessivo che si traduce macroscopicamente in una debole repulsione.

In realtà poi B non è generalmente perpendicolare al piano dell’orbita e l’interazione tra campo intrinseco ed esterno provoca una rotazione dell’asse dell’orbita attorno alla direzione di B (Precessione di LARMOR).

Accanto all’effetto della precessione si ha anche l’effetto dell’allineamento del momento magnetico proprio con B il ché provoca un rafforzamento debole del campo complessivo che si traduce in una debole attrazione.

Materiali diamagnetici.

Sono materiali in cui prevale l’effetto della polarizzazione dovuta alla precessione di LARMOR., in genere sostanze composte da molecole prive di un momento magnetico proprio es. acqua, rame. Questi materiali hanno permeabilità magnetica relativa minore dell'unità..

Inoltre il diamagnetismo è una forma debole e non permanente di magnetismo, che si produce in tutti i materiali solo per applicazione di una campo magnetico esterno. Il suo effetto è trascurabile e non rilevabile se non presenti altre forme di magnetismo. La giustificazione dei questo comportamento sta nel fatto che le correnti microscopiche associate al moto degli elettroni nell'atomo danno luogo a momenti magnetici che si compensano con il risultato che nella maggior parte dei casi l'atomo non presenta momento magnetico. Quando agisce un campo magnetico esterno, il moto degli elettroni viene perturbato e compare un debole momento magnetico che è opposto al campo esterno. È facile allora comprendere perché il diamagnetismo sia sempre presente in tutte le sostanze.( <1)

 

 

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