La scienza di come funzionano i magneti

La forza prodotta da un magnete è invisibile e mistificante. Ti sei mai chiesto come funzionano i magneti?

Key Takeaways: come funzionano i magneti

• Il magnetismo è un fenomeno fisico mediante il quale una sostanza viene attratta o respinta da un campo magnetico.
• Le due fonti di magnetismo sono la corrente elettrica e i momenti magnetici di spin delle particelle elementari (principalmente elettroni).
• Un forte campo magnetico viene prodotto quando i momenti magnetici elettronici di un materiale sono allineati. Quando sono disordinati, il materiale non è né fortemente attratto né respinto da un campo magnetico.

Che cos'è un magnete?

Un magnete è qualsiasi materiale in grado di produrre un campo magnetico. Poiché qualsiasi carica elettrica in movimento genera un campo magnetico, gli elettroni sono piccoli magneti. Questa corrente elettrica è una fonte di magnetismo. Tuttavia, gli elettroni nella maggior parte dei materiali sono orientati in modo casuale, quindi il campo magnetico netto è piccolo o assente. Per dirla semplicemente, gli elettroni in un magnete tendono ad essere orientati allo stesso modo. Questo accade naturalmente in molti ioni, atomi e materiali quando vengono raffreddati, ma non è così comune a temperatura ambiente. Alcuni elementi (ad es. Ferro, cobalto e nichel) sono ferromagnetici (possono essere indotti a magnetizzarsi in un campo magnetico) a temperatura ambiente. Per questi elementi, il potenziale elettrico è più basso quando i momenti magnetici degli elettroni di valenza sono allineati. Molti altri elementi sono diamagnetici. Gli atomi spaiati in materiali diamagnetici generano un campo che respinge debolmente un magnete. Alcuni materiali non reagiscono affatto con i magneti.

Il dipolo magnetico e il magnetismo

Il dipolo magnetico atomico è la fonte del magnetismo. A livello atomico, i dipoli magnetici sono principalmente il risultato di due tipi di movimento degli elettroni. C'è il movimento orbitale dell'elettrone attorno al nucleo, che produce un momento magnetico dipolo orbitale. L'altro componente del momento magnetico dell'elettrone è dovuto al momento magnetico di spin dipolo. Tuttavia, il movimento degli elettroni attorno al nucleo non è in realtà un'orbita, né il momento magnetico di spin dipolo è associato all'effettiva "rotazione" degli elettroni. Gli elettroni non accoppiati tendono a contribuire alla capacità di un materiale di diventare magnetico poiché il momento magnetico dell'elettrone non può essere completamente cancellato quando ci sono elettroni "dispari".

Il nucleo atomico e il magnetismo

I protoni e i neutroni nel nucleo hanno anche un momento angolare orbitale e di spin e momenti magnetici. Il momento magnetico nucleare è molto più debole del momento magnetico elettronico perché sebbene il momento angolare delle diverse particelle possa essere comparabile, il momento magnetico è inversamente proporzionale alla massa (la massa di un elettrone è molto inferiore a quella di un protone o neutrone). Il momento magnetico nucleare più debole è responsabile della risonanza magnetica nucleare (NMR), che viene utilizzata per la risonanza magnetica (MRI).

fonti

• Cheng, David K. (1992). Elettromagnetismo di campo e onda. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
• Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetismo: fondamenti. Springer. ISBN 978-0-387-22967-6.
• Kronmüller, Helmut. (2007). Manuale di magnetismo e materiali magnetici avanzati. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7.