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Fili, tubi metallici, stoviglie: nella nostra esperienza quotidiana il rame non è attratto dai magneti. Eppure molti strani esperimenti mostrano che il rame si comporta in modo un po’ strano attorno ai campi magnetici. Allora cosa sta succedendo? Il rame è magnetico oppure no? E come può interagire con i magneti?
Si scopre che tutti gli elementi hanno proprietà magnetiche. I metalli che tipicamente consideriamo magnetici – ferro, nichel e cobalto – sono una classe speciale di elementi noti come ferromagneti, che interagiscono in modo particolarmente forte con i campi magnetici e formano magneti permanenti.
Ma ce ne sono molti altri tipi molto più deboli magnetismodisse Michael Coey, professore emerito di fisica al Trinity College di Dublino. La maggior parte degli elementi sono paramagnetici o diamagnetici. “Con i paramagneti, quando si applica un campo magnetico, si ottiene una magnetizzazione molto piccola nella direzione del campo”, ha detto. Ciò significa che l’elemento viene attratto leggermente dal magnete, ma l’effetto è solo temporaneo e scompare non appena il magnete viene rimosso.
“Per i diamagneti, quando si applica un campo magnetico, si ottiene una magnetizzazione ancora più piccola nella direzione opposta al campo”, ha detto Coey a WordsSideKick.com. Ciò crea una piccola forza repulsiva verso il magnete che, ancora una volta, scompare senza il campo magnetico. Quindi, nelle condizioni quotidiane, non noteremmo mai che i materiali paramagnetici e diamagnetici abbiano proprietà magnetiche.
Il rame è un esempio di materiale diamagnetico, ma dipende esattamente in quale categoria rientra un elemento elettroni. Queste particelle caricate negativamente orbitano attorno al nucleo centrale di un atomo in strati definiti chiamati gusci, che sono ulteriormente suddivisi in livelli chiamati orbitali s, orbitali d e orbitali p.
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Per i metalli al centro del tavola periodica, l’orbitale s è già pieno di due elettroni e, spostandosi da sinistra a destra lungo la riga, gli orbitali d si riempiono gradualmente con un massimo di 10 elettroni. Quando gli orbitali si riempiono, gli elettroni sono costretti ad accoppiarsi e questo determina le proprietà magnetiche degli elementi. Gli elementi con più elettroni spaiati sono paramagnetici, mentre quelli con più elettroni spaiati sono diamagnetici.
Ogni elettrone possiede anche una strana proprietà quantistica chiamata spin. La direzione (su o giù) di tutti gli spin degli elettroni in un atomo definisce la forza del magnetismo. “Quando diversi elettroni allineano i loro spin in parallelo [in the same direction]”, l’atomo ha un momento magnetico”, ha detto Coey. “Ma se gli elettroni allineano i loro spin in modo antiparallelo [in opposite directions]il momento magnetico si annulla.”
Il rame è nella nona posizione, quindi ci aspetteremmo che abbia due elettroni nell’orbitale s e nove negli orbitali d. Ma insolitamente, il rame toglie un elettrone dall’orbitale s completo per riempire invece completamente gli orbitali d. Ciò significa che tutti gli elettroni d sono accoppiati, con numeri uguali che ruotano su e giù. Di conseguenza, non esiste un momento magnetico, quindi non osserviamo alcun comportamento magnetico in condizioni normali.
Tuttavia, questa configurazione insolita fa sì che il rame possa interagire con i magneti in un modo diverso ed estremamente importante. Il magnetismo è strettamente legato all’elettricità, un fenomeno descritto in fisica dalla legge di Lenz.
“In sostanza, un campo magnetico variabile indurrà una corrente all’interno di un conduttore”, ha affermato Ernesto Bosco, un fisico del National High Magnetic Field Laboratory in Florida. “Poiché il rame ha una resistenza elettrica così bassa, le correnti possono fluire molto facilmente [it].”
È l’elettrone spaiato s che rende il rame un conduttore così eccellente. Questo effetto, noto come induzione elettromagnetica, è fondamentale per il modo in cui oggi generiamo elettricità. “Uno statore è essenzialmente un insieme di fili isolati rotanti che si muovono attorno a un nucleo. Questo può essere utilizzato come motore o generatore”, ha detto Bosque a WordsSideKick.com in una e-mail. La stessa idea funziona anche al contrario: una corrente fatta passare attraverso bobine di filo può generare un campo magnetico in un nucleo metallico, creando un elettromagnete.
La capacità del rame di interagire con un magnete, nonostante non sia ferromagnetico, è qualcosa su cui facciamo affidamento ogni giorno per alimentare dispositivi elettronici, archiviare dati su dischi rigidi e persino rallentare le montagne russe.
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