Che cosa hanno in comune un hard disk e una rudimentale bussola realizzata con uno spillo appoggiato sulla superficie dell’acqua? Per quanto si tratti di due oggetti completamente diversi, entrambi funzionano grazie a una particolare proprietà dei materiali con cui sono realizzati: infatti sia il ferro dello spillo che il materiale di cui sono ricoperti i piatti dell’hard disk sono capaci di conservare una certa magnetizzazione residua.
Per capire di che cosa si tratti, immaginiamo di inserire un certo materiale all’interno di un solenoide collegato a un generatore di corrente elettrica inizialmente spento. Se aumentiamo gradualmente la corrente $I$ che scorre nel solenoide, all’interno del materiale verrà generato un campo magnetico $\vec{B}$ che diventa sempre più intenso man mano che $I$ cresce.
È naturale aspettarsi che, spegnendo il generatore, il campo magnetico $\vec{B}$ all’interno del materiale scompaia: così succede quando il solenoide è vuoto, e in effetti le cose vanno in questo modo nella maggior parte dei casi.
Ci sono però alcuni materiali speciali, detti ferromagnetici, che si comportano diversamente. Innanzitutto, a parità di corrente passante nel solenoide, il campo magnetico che viene prodotto in essi è molto più intenso (addirittura fino a 10 000 volte maggiore). Inoltre si verifica un fenomeno chiamato saturazione magnetica per cui il campo magnetico non aumenta più una volta che ha raggiunto un certo valore caratteristico per ogni materiale. Non importa quanta corrente facciamo scorrere nel solenoide: oltre un certo limite $\vec{B}$ smette di crescere e non c’è modo di smuoverlo. La situazione è rappresentata dalla figura seguente, in cui viene rappresentato, in blu, l’andamento dell’intensità del campo magnetico $\vec{B}$ in funzione dell’intensità della corrente elettrica $I$:
Non solo: una volta raggiunta la saturazione, quando la corrente viene spenta il campo magnetico non si annulla del tutto! Il blocco di materiale ferromagnetico rimane in uno stato di magnetizzazione residua che lo trasforma in un magnete permanente. Come si può vedere in quest’altra figura, in cui sebbene l’intensità della corrente venga ridotta l’intensità di $B$ rimane costante:
Per riportarlo alla situazione iniziale ($B=0$) è necessario invertire il verso della corrente nel solenoide in modo da produrre un campo magnetico di segno opposto:
Se si aumenta ulteriormente la corrente invertita si raggiunge presto la saturazione del campo magnetico nel verso opposto:
A questo punto spegnere la corrente produce una magnetizzazione di segno negativo per cancellare la quale è necessario far scorrere una certa quantità di corrente nel verso iniziale:
Aumentando ancora la corrente si ritorna nello stato di saturazione, chiudendo così quello che viene chiamato ciclo di isteresi.
Grazie alla capacità di “memorizzare” un campo magnetico, i materiali ferromagnetici sono spesso utilizzati come supporto per immagazzinare dati. I due stati possibili di un bit (lo $0$ e l’$1$ del codice binario) vengono associati ai due possibili versi in cui è possibile magnetizzare un blocchetto di materiale ferromagnetico. In questo modo siamo in grado letteralmente di scrivere la materia con i campi magnetici.