Scienze

  • Materia: Scienze
  • Visto: 14644
  • Data: 2005
  • Di: Redazione StudentVille.it

Il magnetismo e l'isteresi magnetica

Il magnetismo e il comportamento delle sostanze sotto l'azione di un campo magnetico.

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Il diverso comportamento delle sostanze, sotto l’azione di un campo magnetico, come per esempio quello terrestre, dipende dal valore della suscettibilità magnetica , Xm , ed induce a classificare le sostanze stesse in tre categorie:

- SOSTANZE DIAMAGNETICHE: sostanze per le quali Xm < 0, cioè la permeabilità magnetica relativa assume valori leggermente inferiori all’unità e ciò spiega perchè sono necessari intensi campi per ottenere effetti apprezzabili. Esse sono prive di un magnetismo proprio, però lo possono acquistare in presenza di un campo magnetico esterno; il magnetismo indotto risulta sempre di senso contrario a quello del campo, poiché è dovuto alla distorsione delle orbite (polarizzazione magnetica per deformazione). Di conseguenza, in una sbarretta di sostanza diamagnetica sospesa nel campo magnetico di una potente calamita vengono indotti poli magnetici omonimi a quelli della calamita ai quali sono prossimi; la sbarretta viene quindi respinta e, in condizioni di equilibrio, si dispone trasversalmente alla direzione del campo. Presentano questa proprietà tutte le sostanze, però l’effetto è spesso mascherato dal paramagnetismo. Il paramagnetismo è abbastanza notevole per il bismuto ed in misura notevole per l’argento, l’oro, il rame e il piombo; anche il mercurio e l’acqua sono diamagnetici.

- SOSTANZE PARAMAGNETICHE: Gli atomi (o le molecole) di queste sostanze posseggono un momento magnetico, cioè sono dotate di un campo magnetico proprio, indipendentemente dalla presenza di un campo magnetico esterno. Sotto l’azione di quest’ultimo si comportano come dipoli magnetici e quindi si orientano nella direzione e nel verso del campo inducente (polarizzazione magnetica per orientamento). La magnetizzazione che si è venuta a formare è concorde con il campo magnetico ed è abbastanza intensa da superare l’effetto diamagnetico, sempre presente. Xm assume piccoli valori positivi, quindi la permeabilità magnetica relativa della sostanza è di poco superiore all’unità; ciò indica che occorrono campi di fortissima intensità per poterle magnetizzare. Sono sostanze paramagnetiche il platino, l’alluminio, l’ossigeno e l’area.

- SOSTANZE FERROMAGNETICHE: Sono sostanze ferromagnetiche il ferro, il nichel, il cobalto e molte loro leghe. Tali sostanze sono caratterizzate da zone microscopiche dette domini ferromagnetici o domini di Weiss, cosiddetti perchè ipotizzati dal fisico Weiss nel 1907. In assenza di un campo magnetico esterno, i momenti magnetici degli atomi sono già paralleli fra di loro, ma i singoli domini sono orientati a caso, per cui la magnetizzazione risultante è nulla. Se invece agisce un campo, anche non molto intenso, molti di questi domini si orientano concordemente al campo e pertanto la sostanza si magnetizza. Il campo magnetico interno è molto più intenso di quello esterno, infatti la permeabilità magnetica relativa assume un valore molto grande. Tale valore non è costante, ma varia al variare dell’intensità del campo magnetico applicato per provocare la magnetizzazione. Il ferromagnetismo dipende anche dalla temperatura; infatti al di sopra di una certa temperatura, detta punto di Curie le sostanze ferromagnetiche perdono le loro proprietà e diventano paramagnetiche. Ciò è dovuto all’agitazione termica che impedisce l’allineamento dei momenti magnetici degli atomi.

Ciclo di isteresi magnetica

Per descrivere il comportamento di un materiale immerso in un campo magnetico si ricorre alle curve di magnetizzazione. Per ottenere buoni risultati è opportuno che il materiale sia in forma di sbarra lunga e sottile, eventualmente ripiegata su se stessa, perchè l’azione di un campo magnetico su un corpo è sempre ridotta dal cosiddetto campo magnetizzante –NM (dove M è la magnetizzazione), dovuto ai poli superficiali. N, fattore smagnetizzante, dipende dalla forma del corpo e dalla sua orientazione rispetto al campo e varia da zero per un corpo lungo e sottile posto nella direzione del campo a un valore apprezzabile in un corpo corto ed esteso, ad esempio un disco parallelo al campo.

Per tracciare la curva di magnetizzazione di un certo materiale, si rivelano sperimentalmente le intensità di H e di B, ad esempio con il dispositivo della figura:

Esso è costituito da un solenoide abbastanza lungo, nel quale si fa passare corrente elettrica di intensità variabile, in modo da poter generare campi magnetizzanti H anch’essi di intensità variabile. Il nucleo del solenoide è formato da materiale ferromagnetico.

Il ciclo magnetico completo, che esprime l’andamento di B in funzione di H, si può dividere in diverse fasi.

Inizialmente il nucleo del solenoide è completamente smagnetizzato, grazie al suo riscaldamento fino al punto di Curie ed al successivo raffreddamento a temperatura ambiente in luogo nel quale non sia sensibile alcuna azione magnetica. Se si aumenta l’intensità di corrente che attraversa il solenoide, e quindi anche l’intensità del campo magnetizzante H, si nota che anche B aumenta (all’inizio lentamente, poi sempre più velocemente), finchè raggiunge un valore massimo Bs corrispondente ad un determinato valore di H, Hs. A questo punto, pur aumentando ulteriormente il valore di H, B rimane invariato poichè tutti i domini ferromagnetici del nucleo sono orientati: si è giunti, cioè, alla saturazione magnetica.

Se si diminuisce progressivamente H fino a raggiungere il valore H = 0, anche B diminuisce, ma non si annulla. Esso mantiene un certo valore residuo, Br, detto magnetismo residuo, dovuto al fatto che i domini ferromagnetici non sono completamente reversibili, cioè non riacquistano del tutto la primitiva configurazione disordinata.

Per ottenere la completa smagnetizzazione del nucleo si inverte il senso della corrente nel solenoide,e quindi anche del campo magnetizzante, che perciò sarà detto campo smagnetizzante. Quando B = 0, il campo smagnetizzante assume il valore -Hc e viene detto campo coercitivo.

Se si continua ad aumentare H in valore assoluto, anche B assumerà valori negativi, aumentando in valore assoluto, finchè non si raggiunge nuovamente la saturazione magnetica.

Se poi si diminuisce H in valore assoluto fino ad H = 0, diminuisce anche B fino al valore –Br.

Se si vuole smagnetizzare completamente il nucleo, bisogna invertire nuovamente il senso della corrente nel solenoide, e quindi anche quello del campo magnetizzante. B = 0 quando H raggiunge un certo valore Hc (campo coercitivo).

Se si aumenta ulteriormente H fino al valore Hs, B raggiunge di nuovo il suo valore massimo. Il ciclo è concluso.

La curva chiusa che si è venuta a formare è detta curva di isteresi magnetica ed è diversa per i vari materiali ferromagnetici.

Essa mette in evidenza che ad un qualunque valore di H, fatta eccezione per i punti P e S, non corrisponde un solo valore di B, ma due differenti valori. Quindi la magnetizzazione di un corpo ferromagnetico non dipende soltanto dal valore del campo magnetizzante, ma anche dai valori che tale campo aveva in precedenza. In altre parole l’entità della magnetizzazione dipende dalla storia magnetica del nucleo.

L’area complessiva del ciclo è proporzionale all’energia dissipata in calore per unità di volume del materiale e per ogni ciclo. A seconda del materiale e della "sua" storia magnetica il ciclo di isteresi può assumere una forma variabile: è riferibile proprio a questa forma la diffusa classificazione dei materiali ferromagnetici in duri e morbidi.

Vengono definiti magneticamente duri i materiali che presentano valori elevati di magnetismo residuo e di forza coercitiva insieme ad un’area ampia del ciclo. Si tratta di materiali che trovano la loro applicazione ottimale nella costituzione di magneti permanenti. I materiali magneticamente morbidi sono, invece, quelli che hanno bassa forza coercitiva, modesto magnetismo residuo e piccola area del ciclo di isteresi. Sono certamente i più idonei ad essere impiegati nelle applicazioni industriali in corrente alternata.

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