Ordine magnetico nei solidi

Una calamita attira il ferro ma non l’alluminio né il rame, eppure tutti e tre sono metalli pieni di elettroni. La differenza non sta nei singoli atomi, ma in come i loro minuscoli magneti interni si mettono d’accordo fra loro. Lo studio di questo accordo è l’ordine magnetico nei solidi, e spiega perché esistono materiali magnetici e altri no.

Vediamo da dove nasce il magnetismo dei materiali, quali tipi di ordine possono assumere i magneti atomici e perché il calore può cancellare il magnetismo.

Ogni atomo un piccolo magnete

Molti atomi si comportano come minuscoli magneti, a causa del moto e dello “spin” dei loro elettroni. In gran parte dei materiali questi piccoli magneti puntano in direzioni casuali e si annullano a vicenda, così il materiale non è magnetico. Ma in alcuni solidi i magneti atomici interagiscono fra loro e si allineano secondo schemi precisi: è da questo allineamento collettivo che nasce il magnetismo vero e proprio, quello che fa di un pezzo di ferro una calamita.

La forza che li allinea

Cosa spinge i magneti atomici ad allinearsi? Non la loro debole attrazione magnetica diretta, troppo fiacca, ma un effetto molto più forte di origine quantistica, legato al modo in cui gli elettroni di atomi vicini si influenzano. Questo effetto, chiamato interazione di scambio, può favorire l’allineamento concorde dei magneti vicini oppure quello opposto, a seconda del materiale. È la natura di questa interazione a decidere quale tipo di ordine magnetico si instaura.

Ferromagnetismo

Nel ferromagnetismo, quello del ferro, i magneti atomici si allineano tutti nello stesso verso. I loro effetti si sommano, e il materiale diventa fortemente magnetico: è il comportamento delle calamite. Una particolarità è che il ferromagnetismo si mantiene anche dopo aver tolto il campo magnetico esterno, perché l’allineamento, una volta stabilito, tende a conservarsi. È ciò che permette di “magnetizzare” un oggetto in modo permanente.

ferro: tutti concordi → magnete  |  antiferro: alternati uguali → nullo  |  ferri: alternati diseguali → magnete

Antiferromagnetismo e ferrimagnetismo

Esistono altri due schemi. Nell’antiferromagnetismo i magneti vicini puntano in versi opposti e uguali, annullandosi a vicenda: il materiale ha un ordine magnetico interno preciso, ma all’esterno non mostra magnetismo. Nel ferrimagnetismo i magneti si alternano in versi opposti ma sono diseguali: non si annullano del tutto e resta un magnetismo netto. Molti magneti di uso comune, le ferriti, sono proprio ferrimagnetici, e furono i primi magneti ceramici usati nell’elettronica.

Il calore cancella l’ordine

L’ordine magnetico è una battaglia fra l’interazione che allinea i magneti e l’agitazione termica che tende a scompigliarli. A bassa temperatura vince l’ordine; ma scaldando, l’agitazione cresce, e oltre una temperatura critica caratteristica di ogni materiale l’ordine collassa: i magneti tornano a puntare a caso e il magnetismo scompare. Per il ferro questo accade attorno ai settecentottanta gradi. È il motivo per cui una calamita scaldata abbastanza perde il suo magnetismo, e spiega perché il magnetismo dei materiali dipende sempre dalla temperatura.

I domini magnetici

C’è un ultimo dettaglio che spiega un fatto curioso: perché un pezzo di ferro non è sempre già una calamita? Perché al suo interno il materiale si divide in tante piccole regioni dette domini, in ciascuna delle quali i magneti sono allineati, ma con orientamenti diversi da una regione all’altra, così che nel complesso si annullano. Avvicinando un campo magnetico esterno, i domini orientati nel verso giusto crescono a spese degli altri, e il pezzo diventa una calamita. Questo riarrangiarsi dei domini spiega la magnetizzazione, il suo mantenersi e anche il modo in cui i materiali magnetici registrano informazioni, come negli hard disk: minuscole zone magnetizzate in un verso o nell’altro diventano i bit di memoria.

Magneti duri e magneti dolci

Non tutti i materiali ferromagnetici si comportano allo stesso modo, e la differenza è di grande importanza pratica. Alcuni, detti magneti duri, una volta magnetizzati conservano tenacemente la loro magnetizzazione e fanno fatica a perderla: sono i materiali con cui si costruiscono i magneti permanenti, quelli che restano attaccati al frigorifero o che girano dentro i motori elettrici. Altri, detti magneti dolci, si magnetizzano facilmente quando c’è un campo esterno ma perdono altrettanto facilmente la magnetizzazione quando il campo viene tolto: sembrano l’esatto contrario, ma sono utilissimi perché possono essere “accesi” e “spenti” magneticamente in fretta. I magneti dolci si usano nei trasformatori e nei nuclei delle macchine elettriche, dove il magnetismo deve cambiare rapidamente seguendo la corrente alternata. La differenza fra i due dipende da quanto è difficile far muovere i confini fra i domini: nei magneti duri questo movimento è ostacolato, nei dolci è facile. Saper progettare materiali ora duri ora dolci, regolandone la composizione e la microstruttura, è una parte essenziale della tecnologia magnetica moderna.

Domande frequenti

Che cos’è l’ordine magnetico?

È la disposizione regolare dei momenti magnetici degli atomi in un solido. I singoli atomi si comportano come piccoli magneti, e a seconda di come si allineano fra loro si hanno comportamenti diversi: ferromagnetismo, antiferromagnetismo e ferrimagnetismo.

Perché il ferro è magnetico e l’alluminio no?

Non per una differenza nei singoli atomi, ma nel modo in cui i loro magneti interni si mettono d’accordo. Nel ferro l’interazione di scambio li allinea tutti nello stesso verso, sommandone gli effetti; in altri metalli questo allineamento collettivo non avviene e il magnetismo non emerge.

Che differenza c’è fra ferro, antiferro e ferrimagnetismo?

Nel ferromagnetismo i magneti puntano tutti nello stesso verso e si sommano, dando un materiale fortemente magnetico. Nell’antiferromagnetismo si alternano in versi opposti e uguali, annullandosi. Nel ferrimagnetismo si alternano ma sono diseguali, lasciando un magnetismo netto.

Perché il calore fa perdere il magnetismo?

Perché l’ordine magnetico è una lotta fra l’interazione che allinea i magneti e l’agitazione termica che li scompiglia. Oltre una temperatura critica, l’agitazione vince, i magneti tornano a puntare a caso e il magnetismo scompare: per il ferro accade attorno ai settecentottanta gradi.

Che cosa sono i domini magnetici?

Sono piccole regioni interne a un materiale magnetico, in ciascuna delle quali i magneti sono allineati ma con verso diverso da regione a regione, così che nel complesso si annullano. Un campo esterno fa crescere i domini orientati nel verso giusto, magnetizzando il pezzo.