Differenza nei comportamenti tra le materie magnetiche

Diamagneti e paramagneti sotto un campo esterno[modifica | modifica wikitesto]

Come abbiamo detto, per questi materiali la relazione tra la magnetizzazione e il campo magnetico è lineare. Avremo però due comportamenti diversi: per i diamagneti avremo , negativa e molto piccola; per le sostanze paramagnetiche invece , positiva e molto piccola. In pratica, queste sostanze sono quasi completamente trasparenti a campi esterni. Quasi, perché qualche effetto c'è comunque.

Fig. 7.2: comportamento di un diamagnete in un campo esterno.

Consideriamo un solenoide (che crea un campo uniforme, per semplicità) e inseriamoci dentro un cilindretto di materiale diamagnetico. Questo si polarizzerà in verso opposto al campo esterno e tende a espellere le linee di forza del campo dal suo volume (figura 7.2). I superconduttori, che sono diamagneti perfetti, le espellono completamente e sono soggetti al famoso fenomeno della gravitazione magnetica: restano sollevati in aria se esposti a un campo magnetico esterno in quanto questo non interagisce minimamente con loro.

Fig. 7.3: comportamento di un paramagnete in un campo esterno.

Al contrario, se inseriamo nel solenoide un cilindretto paramagnetico, questo si polarizza nel verso del campo esterno e tende a succhiare le linee di forza del campo nel suo volume (figura 7.3). Secondo questo principio, potremmo creare dei tubi che trasportando il campo magnetico, anche se sono più efficaci i ferromagneti.

Sostanze ferromagnetiche[modifica | modifica wikitesto]

Abbiamo escluso dalle nostre digressioni i materiali ferromagnetici, non a caso: queste, infatti, complicano le cose. Accade infatti che il campo di induzione è funzione del campo magnetico , allo stesso modo lo è la magnetizzazione . La funzione che lega a si chiama curva di isteresi e va misurata sperimentalmente, perché dipende anche dalla storia del materiale considerato.

Fig. 7.4

In questi materiali, quindi, la permeabilità magnetica ha una dipendenza particolare dai campi:

Per costruire la curva di isteresi, dobbiamo vedere come il materiale si comporta quando viene magnetizzato. Prendiamo allora una ciambella di ferromagnete e vi avvolgiamo attorno un solenoide (figura 7.4) percorso da una corrente. Trascuriamo il flusso disperso dalla superficie della ciambella, possiamo calcolare:

Fig. 7.5
Fig. 7.6

Quindi, agendo sulla corrente possiamo modificare il campo magnetico nel materiale. A questo punto, come lo misuriamo ? Abbiamo diverse opzioni: la prima è creare un traferro, ovvero un taglietto, nella ciambella che sia ortogonale al campo, e vi inseriamo dentro una sonda a effetto Hall (figura 7.5); un'altra opzione è avvolgere un altro solenoide attorno la ciambella, senza generatore ma collegato a un galvanometro balistico (figura 7.6); questo secondo solenoide sarà percorso da corrente quando varierà il campo (per effetto della legge di Lenz che vedremo). Il galvanometro balistico è uno strumento particolare che misura piccole correnti e, nel nostro caso, misura la carica che scorre nel solenoide che in approssimazione possiamo considerare uguale al flusso di e quindi calcolare il campo (perché trascuriamo il flusso disperso):

Misurato il campo in questo modo, possiamo costruire i punti che formeranno la curva di isteresi del materiale. Prendiamo un materiale vergine, ovvero mai magnetizzato prima, e procediamo a magnetizzarlo (figura 7.7): la curva partirà dall'origine e crescerà non linearmente, fino a campo detto campo di saturazione, dopo il quale la crescita sarà lineare; questo tratto è chiamato curva di prima saturazione. Infatti, vale l'espressione:

Il termine non lineare della crescita è dato dalla magnetizzazione: quando raggiunge il punto di saturazione, tutto il materiale è magnetizzato e quindi non contribuisce più alla crescita, che diventa lineare in . La pendenza della crescita sarà .

Fig. 7.7: ciclo di isteresi con curva di prima magnetizzazione.

Da questo punto in poi, torniamo indietro: la curva non segue al contrario il primo percorso, ma scende quasi linearmente fino ad arrivare, quando , a un valore chiamato campo residuo non nullo e positivo: se a questo punto scollegassimo il materiale dal circuito, questo genererebbe un campo magnetico pari a "quasi" per sempre (i tempi di smagnetizzazione libera dipendono dal materiale, generalmente sono molto lunghi). Se continuiamo a scendere col campo sotto lo zero (ovvero invertiamo il verso della corrente che lo induce), la curva scenderà fino a raggiungere lo zero quando , detto campo di coercizione. Continuando a scendere, il processo continua simmetrico rispetto all'origine. Questo viene anche chiamato ciclo di isteresi.

È facile vedere come il ciclo di isteresi dipenda dalla storia del magnete: se questo ha subito in passato una magnetizzazione, ogni nostro intervento su di esso riprenderà dalla magnetizzazione precedente. È per questo che i magneti industriali sono sempre accompagnati da una scheda che ne illustra le caratteristiche attuali e la curva di isteresi che le descrive in quel momento. Osserviamo anche che, in una curva simile, non possiamo definire un costante, perché questo varierà da punto a punto.

A volte è necessario smagnetizzare il materiale, dopo che è stato usato. Ad esempio, in LHC, dove si usano magneti enormi per avviare l'acceleratore, è necessario smagnetizzarli quando il processo va spento (per motivi vari), altrimenti un povero uomo soggetto a quei campi avrebbe delle conseguenze salutari che non auguriamo a nessuno. Per far ciò, si compiono cicli di isteresi sempre più piccoli, ovvero diminuendo mano a mano la corrente, fino a quando il campo residuo nel magnete non diventi nullo.

Fig. 7.8: i ferromagneti standard hanno un comportamento classico e un alto costo di magnetizzazione. Il permalloy ha un campo di coercizione molto basso, un'alta permeabilità magnetica e un basso costo di magnetizzazione. I materiali isoperm hanno permeabilità magnetica costante per un lungo intervallo e un costo di magnetizzazione quasi nullo

La forma della curva dipende strettamente dal materiale. Vediamo diverse curve di diversi materiali (figura 7.8): una larga parte dei ferromagneti, come il ferro e la magnetite, presentano una curva di isteresi molto ampia e cicciona; come vedremo, l'area del ciclo, o meglio l'integrale

indica l'energia necessaria a magnetizzare il materiale: più è ampio il ciclo, più energia è necessaria. Da questo punto di vista, i ferromagneti standard hanno un alto costo di magnetizzazione, che però ha i suoi risvolti positivi: questa durerà per un tempo molto lungo, e infatti questi materiali sono solitamente usati per creare magneti permanenti, come quelli che attacchiamo ai frigoriferi (ma anche molto più grandi, molto più grandi).

Se però abbiamo bisogno di un materiale che deve anche essere smagnetizzato, una volta usato, usare i ferromagneti standard non è la scelta più furba, perché costerebbe un sacco di energia sia il processo di magnetizzazione che quello di smagnetizzazione. Per questo motivo esistono altri materiali le cui curve di isteresi sono molto sottili. Il permalloy, una lega di nichel e ferro, ha un ciclo a basso costo e altre belle proprietà come un campo di coercizione prossimo allo zero e una permeabilità magnetica molto alta ( i valori attorno a cui si può aggirare), ed è utilizzato moltissimo per costruire circuiti magnetici, come i trasformatori comuni in tutti i caricabatterie moderni.

Ci sono poi altri ferromagneti particolari, una classe, chiamata isoperm (anche questi sono delle leghe di nichel e ferro in cui, a volte, si aggiunge del rame) che hanno un comportamento quasi romantico: sembrano dei paramagneti. Per un intervallo molto lungo di , infatti, la loro è costante e la curva di isteresi è quasi lineare. Questi materiali sono utilizzato per creare elettromagneti particolari, usati in diversi ambiti della tecnologia moderna.

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