Il fatto che un materiale abbia o meno proprietà magnetiche macroscopiche in assenza di campo magnetico applicato dipende dai valori e dalle orientazioni dei vettori momenti magnetici associati con i singoli elettroni presenti nella struttura del materiale stesso. Senza addentrarci in considerazioni di meccanica quantistica, possiamo dire che il momento magnetico di un elettrone si può immaginare originato dai due movimenti che l’elettrone compie: orbitare intorno al nucleo, che genera un momento orbitale magnetico, e ruotare intorno al proprio asse, che genera un momento di spin elettronico. Una carica in movimento genera un piccolo campo magnetico: per questo, si può schematizzare l’elettrone come un magnete che abbia momenti magnetici orbitali e di spin permanenti. Generalmente la somma algebrica di tali cariche in movimento nel materiale è pari a zero, ed allora il materiale si dice non avere comportamento magnetico permanente: invece nel caso della magnetite e dei materiali magnetici questo non è vero.
In pratica, un materiale può avere, dal punto di vista magnetico, tre comportamenti, diamagnetico, paramagnetico e magnetico (quest’ultimo differenziabile in ferromagnetico, ferrimagnetico o anti-ferromagnetico), a seconda che gli atomi della struttura abbiano o meno un momento magnetico non nullo e dell’orientazione dei momenti magnetici. Se il materiale è magnetico, che sia ferromagnetico (quindi con gli spin tutti allineati nella direzione del campo), anti-ferromagnetico (quindi con gli spin anti-paralleli ed di valore uguale, che si compensano esattamente, e ferrimagnetico (quindi con gli spin anti-paralleli, ma che non si compensano esattamente), anche senza l’applicazione di un campo magnetico hanno un momento magnetico permanente. Va notato che c’è anche un contributo da parte del momento orbitale magnetico, ma esso è piccolo nel caso dei materiali magnetici, sicché lo spin descrive in buona approssimazione il comportamento del materiale.
I comportamenti possibili sono riassunti in Figura 1, dove si suggerisce anche in modo approssimativo l’andamento della suscettività magnetica (che rappresenta il flusso magnetico di un nucleo rispetto a quello nel vuoto, che si considera uguale a zero) in funzione del campo magnetico applicato. Questa differenziazione dei comportamenti avviene al di sotto di una temperatura, detta temperatura di Curie, al di sopra della quale i materiali divengono paramagnetici. La trasformazione che avviene alla temperatura di Curie non è che un tipico esempio di una trasformazione ordine- disordine: infatti il materiale paramagnetico ha orientazione casuale dei momenti magnetici nei suoi nuclei, cosicché non ha magnetizzazione macroscopica.
I materiali ferrimagnetici, come la magnetite, hanno, come detto sopra, momenti magnetici che si allineano a temperature inferiori a quella di Curie, che nel caso della magnetite è di 585°C, in modo antiparallelo. Danno luogo quindi ad una magnetizzazione anche in assenza di campo esterno, ma minore rispetto ai materiali ferromagnetici perché i momenti disposti antiparallalemente comportano una parziale compensazione dei momenti positivi e negativi. Va detto per completezza che in alcuni granati ferrimagnetici ci può essere una temperatura al di sotto della temperatura di Curie, alla quale le due sotto-strutture hanno momenti uguali, in modo che c’è un momento magnetico netto uguale a zero. detto il punto di compensazione della magnetizzazione.
Chimicamente, la magnetite è un ossido di ferro, dalla formula Fe3O4 di colore nero. Vi sono altri ossidi di ferro (ne sono stati classificati ben sedici): uno dei motivi di questa varietà di ossidi di ferro, è che la struttura cristallina dell’ossido può assumere forma diversa, ed utilizzare nel proprio cristallo in rapporti diversi atomi di ferro bivalenti e trivalenti, formando i cosiddetti ossidi a valenza mista, come la magnetite. La presenza di una grande varietà di ossidi di ferro in natura, con diverse sfumature di colore, permette per esempio il vasto utilizzo di tali ossidi nel settore dei pigmenti per vernici. I due ossidi più diffusi, a parte la magnetite, sono quelli che a valenza pura, che cioè presentano soltanto ferro della stessa valenza: l’ossido ferroso, ottenuto soltanto con ferro bivalente (FeO), e di colore nero, e l’ossido ferrico, ottenuto soltanto con ferro trivalente, e di colore rosso (ematite) (Fe2O3).
Dal punto di vista del comportamento magnetico, la magnetite è una ferrite, una delle due principali categorie di materiali ferrimagnetici (l’altra è quella dei granati). Le ferriti sono ossidi ceramici con la struttura dello spinello di formula MFe2O4, dove M è un metallo in forma bivalente, mentre i due atomi di ferro sono trivalenti. L’atomo M si inserisce in una semi-struttura di forma tetraedrica, mentre gli atomi trivalenti si inseriscono in un’altra semi-struttura di forma ottaedrica: l’unione delle due strutture forma lo spinello. Ci possono essere ferriti, oltre che col ferro, con magnesio, manganese, cobalto, nichel, rame, zinco, cadmio. Le ferriti, in genere materiali magnetici dolci, possono risultare magneticamente dure quando il metallo sostituito è il bario o lo stronzio. Quando M è Fe si ottiene la magnetite, che è appunto la pietra magnetica degli antichi. In pratica, la presenza di questo particolare rapporto tra atomi bivalenti e trivalenti nello spinello facilita il trasferimento degli elettroni tra i diversi nuclei di ferro lungo un percorso determinato: questo crea la particolare disposizione dei momenti magnetici, tipica dei materiali ferrimagnetici. In termini chimicamente più rigorosi la struttura elettronica della magnetite può essere descritta come costituita da un impacchettamento di ioni O2– e ioni Fe3+, con i restanti elettroni delocalizzati su tutti gli ioni in siti ottaedrici. Gli ioni Fe3+ hanno cinque elettroni, situati nel livello energetico 3d, tutti con spin parallelo. Ricordando che la struttura elettronica del ferro è 1s2 2s2p6 3s2p6d6 4s2, il che indica che, per avere uno ione Fe3+ l’atomo deve perdere i due elettroni nello strato più esterno 4s ed un elettrone nello strato 3d, dove ne resteranno solo cinque appunto. Di conseguenza l’elettrone delocalizzato dovrà avere spin opposto sia rispetto agli elettroni sullo ione Fe3+ che rispetto agli elettroni 3d su uno ione ferro adiacente. Questo farà sì che i due ioni Fe3+ adiacenti debbano avere gli spin allineati, ed anche con quelli di tutti gli altri ioni ferro nei siti ottaedrici.
Le ferriti sono materiali ceramici e pertanto risultano dure, fragili e pessime conduttrici d’elettricità rispetto alle leghe metalliche magnetiche, che risultano invece buoni conduttori elettrici e normalmente duttili. Infatti le notevoli proprietà dielettriche (isolanti) delle ferriti, che vengono mantenute anche per correnti con frequenze dell’ordine del MHz, ne consentono un impiego diffuso ed insostituibile nel campo delle alte frequenze (radar, telefonia mobile, dispositivi ed apparecchi a microonde, ecc.). Si ottengono nelle ferriti alti valori della permeabilità magnetica (fino a 5000 µN/A2 per un campo magnetico <0.1T), della resistività (fino a 10-6 Ω*m a 20°C) ed una massima permittività dielettrica pari a circa 15.
Una conseguenza delle differenze tra ferriti e leghe metalliche magnetiche è che componenti di grandi dimensioni devono essere costruiti ricorrendo alle leghe magnetiche, mentre le ferriti si possono utilizzare come componenti elettromeccanici o come magneti flessibili, disperdendo una polvere di ferrite dura in una matrice polimerica termoplastica o elastomerica. Nelle applicazioni di schermatura, le ferriti trovano applicazione principalmente nell’assorbimento di un campo elettromagnetico incidente, in conseguenza delle loro alte perdite: questo può essere molto utile per ridurre il campo elettrico riflesso all’interno di strutture cave in cui sia penetrato.
In pratica, un materiale può avere, dal punto di vista magnetico, tre comportamenti, diamagnetico, paramagnetico e magnetico (quest’ultimo differenziabile in ferromagnetico, ferrimagnetico o anti-ferromagnetico), a seconda che gli atomi della struttura abbiano o meno un momento magnetico non nullo e dell’orientazione dei momenti magnetici. Se il materiale è magnetico, che sia ferromagnetico (quindi con gli spin tutti allineati nella direzione del campo), anti-ferromagnetico (quindi con gli spin anti-paralleli ed di valore uguale, che si compensano esattamente, e ferrimagnetico (quindi con gli spin anti-paralleli, ma che non si compensano esattamente), anche senza l’applicazione di un campo magnetico hanno un momento magnetico permanente. Va notato che c’è anche un contributo da parte del momento orbitale magnetico, ma esso è piccolo nel caso dei materiali magnetici, sicché lo spin descrive in buona approssimazione il comportamento del materiale.
I comportamenti possibili sono riassunti in Figura 1, dove si suggerisce anche in modo approssimativo l’andamento della suscettività magnetica (che rappresenta il flusso magnetico di un nucleo rispetto a quello nel vuoto, che si considera uguale a zero) in funzione del campo magnetico applicato. Questa differenziazione dei comportamenti avviene al di sotto di una temperatura, detta temperatura di Curie, al di sopra della quale i materiali divengono paramagnetici. La trasformazione che avviene alla temperatura di Curie non è che un tipico esempio di una trasformazione ordine- disordine: infatti il materiale paramagnetico ha orientazione casuale dei momenti magnetici nei suoi nuclei, cosicché non ha magnetizzazione macroscopica.
I materiali ferrimagnetici, come la magnetite, hanno, come detto sopra, momenti magnetici che si allineano a temperature inferiori a quella di Curie, che nel caso della magnetite è di 585°C, in modo antiparallelo. Danno luogo quindi ad una magnetizzazione anche in assenza di campo esterno, ma minore rispetto ai materiali ferromagnetici perché i momenti disposti antiparallalemente comportano una parziale compensazione dei momenti positivi e negativi. Va detto per completezza che in alcuni granati ferrimagnetici ci può essere una temperatura al di sotto della temperatura di Curie, alla quale le due sotto-strutture hanno momenti uguali, in modo che c’è un momento magnetico netto uguale a zero. detto il punto di compensazione della magnetizzazione.
Chimicamente, la magnetite è un ossido di ferro, dalla formula Fe3O4 di colore nero. Vi sono altri ossidi di ferro (ne sono stati classificati ben sedici): uno dei motivi di questa varietà di ossidi di ferro, è che la struttura cristallina dell’ossido può assumere forma diversa, ed utilizzare nel proprio cristallo in rapporti diversi atomi di ferro bivalenti e trivalenti, formando i cosiddetti ossidi a valenza mista, come la magnetite. La presenza di una grande varietà di ossidi di ferro in natura, con diverse sfumature di colore, permette per esempio il vasto utilizzo di tali ossidi nel settore dei pigmenti per vernici. I due ossidi più diffusi, a parte la magnetite, sono quelli che a valenza pura, che cioè presentano soltanto ferro della stessa valenza: l’ossido ferroso, ottenuto soltanto con ferro bivalente (FeO), e di colore nero, e l’ossido ferrico, ottenuto soltanto con ferro trivalente, e di colore rosso (ematite) (Fe2O3).
Dal punto di vista del comportamento magnetico, la magnetite è una ferrite, una delle due principali categorie di materiali ferrimagnetici (l’altra è quella dei granati). Le ferriti sono ossidi ceramici con la struttura dello spinello di formula MFe2O4, dove M è un metallo in forma bivalente, mentre i due atomi di ferro sono trivalenti. L’atomo M si inserisce in una semi-struttura di forma tetraedrica, mentre gli atomi trivalenti si inseriscono in un’altra semi-struttura di forma ottaedrica: l’unione delle due strutture forma lo spinello. Ci possono essere ferriti, oltre che col ferro, con magnesio, manganese, cobalto, nichel, rame, zinco, cadmio. Le ferriti, in genere materiali magnetici dolci, possono risultare magneticamente dure quando il metallo sostituito è il bario o lo stronzio. Quando M è Fe si ottiene la magnetite, che è appunto la pietra magnetica degli antichi. In pratica, la presenza di questo particolare rapporto tra atomi bivalenti e trivalenti nello spinello facilita il trasferimento degli elettroni tra i diversi nuclei di ferro lungo un percorso determinato: questo crea la particolare disposizione dei momenti magnetici, tipica dei materiali ferrimagnetici. In termini chimicamente più rigorosi la struttura elettronica della magnetite può essere descritta come costituita da un impacchettamento di ioni O2– e ioni Fe3+, con i restanti elettroni delocalizzati su tutti gli ioni in siti ottaedrici. Gli ioni Fe3+ hanno cinque elettroni, situati nel livello energetico 3d, tutti con spin parallelo. Ricordando che la struttura elettronica del ferro è 1s2 2s2p6 3s2p6d6 4s2, il che indica che, per avere uno ione Fe3+ l’atomo deve perdere i due elettroni nello strato più esterno 4s ed un elettrone nello strato 3d, dove ne resteranno solo cinque appunto. Di conseguenza l’elettrone delocalizzato dovrà avere spin opposto sia rispetto agli elettroni sullo ione Fe3+ che rispetto agli elettroni 3d su uno ione ferro adiacente. Questo farà sì che i due ioni Fe3+ adiacenti debbano avere gli spin allineati, ed anche con quelli di tutti gli altri ioni ferro nei siti ottaedrici.
Le ferriti sono materiali ceramici e pertanto risultano dure, fragili e pessime conduttrici d’elettricità rispetto alle leghe metalliche magnetiche, che risultano invece buoni conduttori elettrici e normalmente duttili. Infatti le notevoli proprietà dielettriche (isolanti) delle ferriti, che vengono mantenute anche per correnti con frequenze dell’ordine del MHz, ne consentono un impiego diffuso ed insostituibile nel campo delle alte frequenze (radar, telefonia mobile, dispositivi ed apparecchi a microonde, ecc.). Si ottengono nelle ferriti alti valori della permeabilità magnetica (fino a 5000 µN/A2 per un campo magnetico <0.1T), della resistività (fino a 10-6 Ω*m a 20°C) ed una massima permittività dielettrica pari a circa 15.
Una conseguenza delle differenze tra ferriti e leghe metalliche magnetiche è che componenti di grandi dimensioni devono essere costruiti ricorrendo alle leghe magnetiche, mentre le ferriti si possono utilizzare come componenti elettromeccanici o come magneti flessibili, disperdendo una polvere di ferrite dura in una matrice polimerica termoplastica o elastomerica. Nelle applicazioni di schermatura, le ferriti trovano applicazione principalmente nell’assorbimento di un campo elettromagnetico incidente, in conseguenza delle loro alte perdite: questo può essere molto utile per ridurre il campo elettrico riflesso all’interno di strutture cave in cui sia penetrato.
Figura 1 Tipi di comportamenti dei materiali, in funzione del magnetismo