Fisica classica/Magnetismo della materia: differenze tra le versioni

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[[Fisica_classica/Legge_di_Ampère| Argomento precedente: Legge di Ampère]]
 
Le equazioni finora studiate riguardano i campi magnetici nel vuoto. La presenza di materia tranne che nei materiali ferromagnetici e superconduttori, non altera sensibilmente le equazioni. Infatti potremmo definire una permeabilità magnetica relativa analoga ad <math>\epsilon_r\ </math> in maniera tale che il campo di un solenoide sia:
 
La presenza di materia tranne che per le sostanze [[w:Ferromagnetismo|ferromagnetiche]] e le sostanze [[w:Superconduttore|superconduttrici]] non altera in maniera sensibile il campo di induzione magnetica.
 
Una osservazione sperimantale chiara è data dall'effetto di campi di induzione magnetica caratterizzati localmente da forti gradienti, vi sono delle sostanze dette paramagnetiche che subiscono una attrazione dirigendosi, se libere di muoversi, dove il campo è più intenso (tale effetto è molto vistoso nei ferromagneti che sono un caso estremo), mentre altre sostanze vengono respinte allontanandosi da dove il campo è più intenso (diamagneti). I superconduttori vengono vistosamente respinti dal campo magnetico per cui spesso si definiscono diamagneti perfetti. Questo fatto sperimentale è in forte contrasto con l'elettrostatica. Infatti qualsiasi sostanza, sia essa conduttrice o isolante, posta in una regione dove è presente un campo elettrico che varia spazialmente tende a portarsi nella zona dove il campo elettrico è più intenso.
 
Una seconda osservazione riguarda il seguente fatto: una spira percorsa da corrente è caratterizzata dal suo momento di dipolo magnetico <math>\vec m\ </math>, se poniamo tale dipolo magnetico in un campo di induzione magnetica esterno esso si disporrà seguendo le linee del campo, allineando la direzione del dipolo a quella del campo di induzione magnetica (questo comportamento è analogo al comportamento di un dipolo elettrico in un campo elettrico). Il comportamento peculiare è nel fatto che mentre in un dipolo elettrico allineato, il campo tra la carica elettrica negativa e positiva è in direzione opposta a quello del campo elettrico allineante (quindi ne diminuisce l'intensità), un dipolo magnetico non ha una inversione delle linee del campo, quindi se allineato rinforza il campo magnetico allineante. Il comportamento paramagnetico (e in misura più estrema quello ferromagnetico) di alcune sostanze si spiega con l'esistenza di un momento magnetico
intrinseco di alcune molecole dovuto o al moto orbitale degli elettroni o alla rotazione intorno al proprioa asse degli elettroni stessi ( [[w:Spin|spin]]).
 
In genere solo atomi con un numero dispari di elettroni presentano un momento magnetico intrinseco. L'unità naturale di tale momento magnetico è il [[w:Magnetone_di_Bohr|magnetone di Bohr]] <math>\mu_B\approx 9.27\cdot 10^{-24}\ A\cdot m^2</math>, che rappresenta il momento magnetico orbitale di un elettrone nello stato fondamnetale dell'atomo di idrogeno. Tale quantità viene spiegata nella sua essenza fondamentale dalla [[w:Meccanica_Quantistica|meccanica quantistica]]. Gli elementi che hanno un momento magnetico proprio hanno momenti magnetici in modulo pari a <math>|\vec m|=n \mu_B\ </math> con <math>n\ </math> un numero, intero o semintero, compreso tra 1.5 e 10.5.
 
Poichè la differenza di energia tra un dipolo magnetico allineato o in direzione opposta ad un campo magnetico è pari a:
:<math>\Delta E=2|\vec m||\vec B|\ </math>
Tale energia anche se <math>|\vec m|\ </math> ha un valore, relativamente grande (molti magnetoni di Bohr), e <math>|\vec B|\ </math> è molto intenso (qualche Tesla) è di gran lunga inferiore alla energia di agitazione termica <math>k_BT\ </math> a temperatura ambiente. Via via che diminuisce la temaperatura cresce il potere allineante di campi esterni ed a temperature molto basse si può avere che un numero significativo di dipoli è orientato nella direzione del campo quasi indipendentemente dalla sua intensità, si raggiunge cioè una specie di saturazione. Tale comportamento non vine esibito dalle sostanze dielettriche che hanno un momento di dipolo elettrico intrinseco elevato
in quanto la grandezza <math>\Delta E=2|\vec p||\vec E|\ </math> è difficile che sia maggiore di
<math>\Delta E=2|\vec m||\vec B|\ </math> con i dipoli naturali ed i campi che si possono avere nei mezzi e quindi non si raggiunge mai la condizione di saturazione.
 
Infatti potremmo definire una permeabilità magnetica relativa analoga ad <math>\epsilon_r\ </math> in maniera tale che il campo di un solenoide sia:
 
:<math>|\vec B|=\mu_r\mu_{\circ} nI\ </math>