Il magnetismo nei materiali solidi

Il magnetismo nei materiali solidi I materiali vengono classificati sulla base della loro risposta ad un campo magnetico applicato Bapp. Nei materiali paramagnetici (alluminio, tungsteno, ossigeno, ) i dipoli magnetici a livello atomico si allineano con il campo applicato, incrementandolo. Tuttavia, l agitazione termica rende casuali le loro direzioni, rendendo poco evidente l effetto globale: B ind =B ext 10 5 Diversamente avviene nei materiali diamagnetici (oro, rame, acqua, ) il campo applicato Bapp induce un campo in opposizione, generalmente debole: B ind = B ext 10 5 Nei materiali ferromagnetici (ferro, cobalto, nickel, ), similmente ai paramagnetici, i dipoli si allineano con il campo applicato e, grazie alle forti interazioni tra dipoli adiacenti, mantengono un unica orientazione. Questo determina un notevole rinforzo del campoapplicato: B ind = B ext 10 5 Per un materiale magnetico si definisce quindi:b = µh con µ= µrµ0 µ=permeabilità del mezzo µr= permeabilità relativa nell intervallo [0,1] µ0= permeabilità del vuoto pari a 4 10 7H/m Dall'analisi del grafico B H si mette in evidenza il comportamento dei vari materiali confrontati con il caso del vuoto. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 1 di 24

Il materiali diamagnetici presentano una permeabilità magnetica inferiore a quella del vuoto, mentre i materiali paramagnetici presentano una permeabilità superiore a quella del vuoto, se consideriamo i materiali ferromagnetici si nota immediatamente l'elevato valore di µ rispetto agl'altri casi esaminati. Ferromagnetismo Anche in assenza del campo impresso B, i dipoli si raggruppano in domini orientati detti domini di Waiss. Applicando un campo esterno i domini si allineano producendo una forte magnetizzazione netta. Nei materiali ferromagnetici morbidi o (soft) i domini si ridispongono in modo casuale quando il campo esterno viene rimosso, diversamente nei materiali ferromagnetici duri (Hard) l orientamento dei domini persiste anche dopo la rimozione del campo esterno (magneti permanenti). I domini possono cambiare direzione per varie cause, una prima è l'applicato un nuovo campo magnetico, oppure l orientamento dei domini può ritornare casuale a causa di un urto e infine se la temperatura supera il punto di Curie (770 C per il ferro), i domini si ridispongono in modo casuale. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 2 di 24

I materiali ferromagnetici e la saturazione Dalla figura si nota che in assenza di campo magnetico applicato i domini sono orientati in modo casuale, non appena si inizia ad applicare un campo esterno H, inizia il loro parziale orientamento, il fenomeno continua fino al punto in cui tutti i domin risultano orientati, in questa fase si dice che il materiale ferromagnetico ha raggiunto la saturazione. Dal grafico B H si nota come la curva che lega B e H non sia lineare, fatto evidente della variabilità delle permeabilità magnetica al variare di H. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 3 di 24

La permeabilità magnetica µ non risulta essere assolutamente costante al variare di H e dalla figura successiva si può analizzare in dettaglio il legame tra µ e H. La zona cerchiata in rosso nella figura indica la situazione di domini completamente orientati con una conseguente permeabilità magnetica prossima al valore nullo. Permeabilità e temperatura La permeabilità magnetica è influenzata dalla temperatura, dal grafico seguente si nota immediatamente il diverso comportamento del materiale ferromagnetico a 100 C e 25 C, nel caso della temperatura maggiore i domini risultano più liberi di orientarsi e questa diversità si manifesta con una conseguente maggiore permeabilità a parità di Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 4 di 24

campo magnetico applicato. Le curve riportate nel grafico B H presentano una permeabilità variabile che dipende dal materiale ferromagnetico considerato, in rosso sono riportare le permeabilità magnetiche massime per ogni materiale esaminato. (1Tesla=10^4 Gauss) Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 5 di 24

La magnetizzazione nei materiali ferromagnetici avviene seguendo un ciclo d'isteresi il quale diviene ripetitivo dopo un certo numero di cicli di magnetizzazione. Dalla figura seguente è possibile notare l'evoluzione del ciclo d'isteresi magnetica. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 6 di 24

Da un analisi più dettagliata si vede che il materiale ferromagnetico che non ha mai subito effetti di alcun campo H, percorre la prima magnetizzazione, una curva ben precisa chiamata curva di prima magnetizzazione. Quando il campo magnetico applicato tende a diminuire, la curva percorsa è un'altra, quella nella parte superiore del grafico, nel quale si può subito notare che in presenza di campo magnetico nullo si ha comunque induzione magnetica diversa da zero, questo ci dà ragione della realtà che il materiale ferromagnetico rimane magnetizzato, questa induzione è chiamata induzione magnetica residua. Lungo la stessa linea si prosegue applicando un campo magnetico H negativo e per un valore di tale campo l'induzione magnetica si annulla. Il campo magnetico che causa ciò è detto campo magnetico coercitivo. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 7 di 24

Br= induzione residua quando la causa forzante si annulla Hc= campo coercitivo necessario ad annullare la magnetizzazione del materiale Materiali magnetici ferromagnetici soft o dolci Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 8 di 24

Materiali ferromagnetici Hard o duri Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 9 di 24

Il grafico di figura riporta parte della curva di smagnetizzazione di un materiale ferromagnetico, si nota il punto in cui avviene la rapida smagnetizzazione dopo il cambiamento di pendenza della curva. La pendenza della curva diventa elevata e con una piccola variazione del campo magnetico si ottiene una repentina smagnetizzazione. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 10 di 24

Le ferriti sono caratterizzate da Br Bpe ciclo, con una forma rettangolare, l'elevata magnetizzazione residue rende, questi materiali, adatti ad impieghi per la registrazione su supporto magnetico. Se vogliamo immagazzinare dei dati è evidente che convenga utilizzare un materiale ferromagnetico duro, che conservi l informazione anche in assenza di campo impresso, mentre materiali diamagnetici e paramagnetici presentano effetti troppo blandi per poter essere usati allo scopo. Le perdite per isteresi rappresentano il lavoro necessario all inversione del campo Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 11 di 24

magnetico nel materiale ferromagnetico ogni qualvolta si inverte il verso della corrente. Se consideriamo un avvolgimento i materiali con un ciclo d isteresi stretto (es. acciaio al silicio) si hanno piccole perdite per isteresi, mentre i materiali con un ciclo d isteresi largo (es. Alnico) presentano consistenti perdite per isteresi. Le perdite sono date dall'area del ciclo considerato x frequenza di inversione del campo magnetico. Nel momento in cui si applica un campo magnetico che varia nel tempo come in figura, anche l'induzione deve cambiare nel tempo, ma causa dell'induzione residua si deve consumare energia per annullare questo valore residuo. Il riallineamento dei campi magnetici dei domini richiede un campo esterno e una energia che si manifesta quindi in termini di perdite. MATERIAL I UTILIZZATI PER REALIZZARE MAGNETI PERMANENTI La caratteristica di un magnete permanente di creare un campo magnetico intorno a Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 12 di 24

se, senza l intervento di un avvolgimento di corrente elettrica, è dovuta alla sua strutture a livello atomico dove i momenti magnetici degli elettroni dei singoli atomi interagiscono e si compongono in modo di creare, in microscopiche regioni del materiale, una magnetizzazione uniforme spontanea, o polarizzazione. Queste regioni, chiamate domini di Weiss, la loro dimensione, forma e orientamento della loro polarizzazione dipendono dalla struttura del materiale a livello cristallino (reticolo, difetti) e dalle condizioni esterne (temperatura, campi elettromagnetici). Nei magneti permanenti la polarizzazione dei domini di Weiss ha una forte predilezione a mantenersi orientata secondo una o più direzioni privilegiate del reticolo cristallino. Questi domini agiscono all interno del materiale come minuscoli magneti permanenti: nello stato di smagnetizzazione del magnete che segue per esempio l agitazione di un riscaldamento ad alta temperatura, le polarizzazioni dei singoli domini sono orientate a caso, disordinatamente; sotto l effetto di un campo magnetico esterno le polarizzazioni si orientano e alla saturazione, si dispongono parallelamente e nello stesso senso del campo magnetico applicato. Se si annulla il campo esterno, le polarizzazioni dei domini di Weiss tornano nella direzione e nel verso prediletto più vicino a quello del campo applicato alla saturazione, dando origine ad una distribuzione di frequenza con un massimo nella direzione e verso il campo di saturazione ed un minimo prossimo a zero, nel verso opposto. In questo modo il magnete crea intorno a se un campo che rimane anche dopo che è stato annullato il campo esterno di saturazione. MAGNETI ALNI ALNICO MAXALCO C.O Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 13 di 24

Si tratta di leghe Fe, Al, Ni per la lega ALNI e Fe, Al, Ni, Co per la lega ALNICO e MAXALCO C.O. ed altri elementi in piccole percentuali. Si ottengono per fusione in forni a media frequenza e quindi colate in forme di sabbia agglomerata a caldo. Le caratteristiche magnetiche finali si ottengono dopo particolari trattamenti termici in presenza, nel caso dei tipi ANISOTROPI, di forti campi magnetici. L'effetto di questi campi è di orientare la fase magnetica nella direzione della linea di flusso del campo, esaltando le caratteristiche magnetiche in quella direzione che dovrà corrispondere a quella della magnetizzazione finale. I magneti per i quali non tutte le direzioni di magnetizzazione sono possibili si dicono appunto ANISOTROPI od ORIENTATI. I magneti ALNI e ALNICO hanno una rimanenza (Br) ed un prodotto di energia elevato, unitamente ad un basso coefficiente di temperatura che li rende particolarmente adatti ad applicazioni in apparecchiature di alta precisione e prestazione. L'ALNICO V è la lega più diffusa e utilizzata nel campo audio di alto livello, è della classificazione ISOTROPO e i suoi cristalli non sono orientati. Il MAXALCO C.O. è essenzialmente un ALNICO V ma a cristalli orientati (ANISOTROPO). All'anisotropia del trattamento termomagnetico, unisce una struttura cristallina orientata che permette di ottenere i più alti valori di rimanenza e di prodotto d'energia. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 14 di 24

MAGNETI in FERRITE Questo materiale ceramico a base di ossidi di Ba, Sr e Fe della stessa natura delle antiche pietre "calamite" e del minerale "magnetite", è stato inventato negli anni 50. E' utilizzato per la produzione di massa di magneti permanenti a basso costo. La produzione avviene mediante calcinazione delle materie prime per ottenere il composto magnetico che viene prima macinato e pressato, con o senza orientamento, mediante appositi stampi multipli, quindi sinterizzato in forno, per ottenere la massima densità e resistenza, infine rettificato, con tolleranze strette, sulle superfici polari. Presenta una elevata coercitività quindi un'elevata resistenza alla smagnetizzazione ed una resistenza elettrica altissima. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 15 di 24

FERROXDURE I (ISOTROPO) (ISOTROPIC) FERROXDURE II (ANISOTROPO) (ANISOTROPIC) Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 16 di 24

FERROXDURE III (ANISOTROPO) (ANISOTROPIC) Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 17 di 24

MAGNETI IN SAMARIO COBALTO I magneti permanenti in Samario Cobalto sono ottenuti mediante sinterizzazione in atmosfera controllata di polveri ottenute dalla frantumazione di una lega fusa Samario Cobalto. L'uso del Samario, terra rara, conferisce al magnete elevato prodotto specifico di energia (BHmax), una buona rimanenza (Br) ed un'ottima resistenza alla smagnetizzazione (JHc); Il Cobalto garantisce la stabilità delle caratteristiche nel tempo. Nonostante la resistenza alla temperatura non sia elevatissima, le caratteristiche magnetiche ne consentono l'utilizzo, in condizioni normali, specialmente dove è necessario contenere le dimensioni. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 18 di 24

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Appendice Simboli e unità di misura Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 20 di 24

Glossario dei termini utilizzati in ambito elettromagnetico Ampere spira. Unità di forza magnetomotrice. E il prodotto tra il numero di spire di una bobina e gli Ampere passanti attraverso la bobina. Magnete anisotropo. Materiale con orientamento preferenziale su un asse piuttosto che su un altro asse. Sistema CGS. Sistema di misura in cui il centimetro, grammo e il secondo, sono unità di misura fondamentali. Forza coercitiva Hc. La forza di smagnetizzazione corrispondente al valore uguale a zero dell induzione magnetica in un materiale magnetico dopo la saturazione. Smagnetizzazione. La riduzione parziale o completa della induzione. Curva di smagnetizzazione. Quella porzione del ciclo di isteresi normale, situata nel Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 21 di 24

secondo quadrante, che mostra l induzione di un materiale magnetico in relazione alla forza di magnetizzazione. Rapporto dimensionale L/D. E il rapporto tra la lunghezza di un magnete, nella direzione di magnetizzazione, e il suo diametro; è anche il rapporto tra la lunghezza di un magnete e il diametro di un cerchio che ha ha area uguale all area della sezione trasversale del magnete. Curva di densità energia. E la rappresentazione grafica dell energia esterna prodotta da un magnete ed è il prodotto della densità di flusso e la forza di smagnetizzazione. Il valore massimo raggiunto da questo prodotto è conosciuto come (Bd Hd) max. Ferromagnetico. Materiale che dà generalmente fenomeni d isteresi e la cui permeabilità dipende dalla forza magnetizzante. Flusso magnetico Ø. E la manifestazione fisica di una certa codizione che si verifica in un materiale sottoposto a magnetizzazione. La quantità è caratterizzata dal fatto che una forza elettromotrice è indotta in un conduttore sottoposto ad un flusso per un certo tempo in cui il flusso stesso varia. Traferro. Quella porzione di circuito magnetico che non contiene materiale ferromagnetico, es: aria, bachelite, gomma etc. Isteresi magnetica. Proprietà di un materiale magnetico per la quale l'induzione magnetica, per una stabilità di forza magnetizzante, dipende dalle condizioni di magnetizzazione. Ciclo di isteresi. E' la rappresentazione grafica della relazione tra la forza Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 22 di 24

magnetizzante e la risultante magnetizzazione indotta di un materiale ferromagnetico quando la forza magnetizzante in un ciclo completo raggiunge valori uguali e opposti. Induzione intrinseca Br. L'accesso dell'induzione in un materiale magnetico sull'induzione in vuoto, per un dato valore della forza magnetizzante. L'espressione analitica è: Bi = B µh. Induzione magnetica B. Il flusso magnetico per unità di area misurato in una sezione normale alla direzione del flusso. L'unità di misura per la densità di flusso nel sistema internazionale è il Tesla. Magnete isotropo. Materiale avente le stesse caratteristiche magnetiche lungo qualsiasi asse o direzione. Dispersione di flusso. Porzione di campo magnetico che non è utile. Fattore di dispersione T. Rapporto tra il flusso totale prodotto in una sezione neutra del magnete e il flusso utile. Permeabilità µ. Rapporto tra l'induzione magnetica in un dato mezzo e l'induzione che potrebbe essere prodotta in vuoto con la medesima forza di magnetizzazione. L'unità di misura nel SI è Henry/metro =H/m Permeanza P. Rapporto tra il flusso attraverso una sezione trasversale di una porzione tubolare di un circuito magnetico delimitata dalle linee di forza e da due superfici equipotenziali e la differenza di potenziale magnetico tra le superfici contenute nella porzione considerata.. Coefficiente di Permeanza Pc. Rapporto tra l'induzione magnetica Bd e la sua forza smagnetizzante Hd. Pc=Bd/Hd. Riluttanza R. Reciproco della permeanza. Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 23 di 24

Fattore di riluttanza rf. Rapporto tra la forza magnetomotrice prodotta dal magnete e la forza magnetomotrice nel traferro. Induzione residua Br. Induzione magnetica corrispondente al valore zero della forza di magnetizzazione in un materiale magnetico dopo saturazione in un circuito chiuso ( senza traferro). Saturazione. Condizione in cui tutti i momenti magnetici elementari sono orientati nella medesima direzione. Un materiale magnetico è nello stato di saturazione quando a un qualsiasi incremento della forza magnetizzante applicato, non corrisponde alcun incremento di induzione intrinseca. Sistema S.I..Sistema internazionale per unità di misura in cui metro, chilogrammo, secondo e ampere sono le unità fondamentali (MKSA). Prof F. Vannucci anno 2007 2008 IIS Barsanti di Massa Pagina 24 di 24