Materiali magnetici

Prima di classificare i materiali magnetici, occorre introdurre alcuni concetti sulla permeabilità magnetica che li caratterizzano.

Indichiamo il generico campo magnetico B, già definito nel vuoto con B = μ_oH, invece che con B, con il simbolo B_o, per precisarlo.

Si può, quindi, definire il vettore d’induzione magnetica e scrivere:

B₀ =μ₀ H (nel vuoto)

e

B= μ H (in un mezzo),

con μ_o = permeabilità magnetica assoluta nel vuoto e con μ= permeabilità magnetica assoluta nel mezzo. Cerchiamo ora di chiarire in che modo si differenziano queste due grandezze fisiche.

Permeabilità magnetica relativa

Introducendo sostanze diverse in un solenoide toroidale e interrompendo la continuità circolare, per un breve tratto, in cui s’introduce una spira esploratrice, si rileva sperimentalmente, che il rapporto tra B e B₀, tra il tratto riempito da una sostanza e quello vuoto, è diverso. Questo rapporto, indicato con μ_r (B /B₀ = μ_r) è definito come permeabilità magnetica relativa del mezzo o del materiale.

Consideriamo il rapporto di un campo magnetico di una spira circolare con raggio r, nel vuoto e in un materiale, e facciamone il rapporto:

Questo rapporto, esprime la permeabilità magnetica relativa del mezzo considerato, calcolato in uno stesso punto. Semplificando si ottiene:

da cui si ha: μ =μ_o μ_r

Permeabilità magnetica assoluta di un mezzo

Si definisce permeabilità magnetica assoluta μ di un mezzo, quindi, il prodotto della permeabilità magnetica assoluta del vuoto per quella relativa del mezzo, come da formula precedente.

Da questo rapporto

si deduce:

In un mezzo isotropo e indefinito, il rapporto tra l’intensità del campo d’induzione magnetica, generato da corrente costante e la permeabilità magnetica assoluta del mezzo, in ogni punto, è una costante.

Classificazione dei materiali magnetici

Il comportamento magnetico dei materiali può suddividersi in tre gruppi: I materiali con permeabilità magnetica relativa del mezzo, μ_r < 1, di pochissimo meno permeabile del vuoto (metalloidi e molti metalli come argento, mercurio, oro, rame, ecc., quasi tutte le sostanze organiche, quasi tutti i gas nobili e altri, escluso l’ossigeno e l’ipoazodite), sono detti diamagnetici o non magnetici. Fanno eccezione i metalli superconduttori, che in talune condizioni sono diamagnetici perfetti e che a differenza di altri materiali non si lasciano attraversare nel loro interno dalle linee di forza del campo magnetico. Nei materiali diamagnetici la permeabilità magnetica relativa non dipende dall’intensità del campo elettrico né dalla temperatura, per cui essa è costante. Gli elettroni in movimento, nel loro campo magnetico, si aggregano nelle molecole in modo da annullare il loro magnetismo. Immersi però in un campo magnetico esterno, ne creano uno di verso opposto e con la stessa direzione al campo esterno (polarizzazione magnetica per deformazione). I materiali diamagnetici sono perciò respinti dal polo di un magnete.

(In un campo magnetico un materiale diamagnetico genera levitazione.)

In questo giorno di sconcerto e di sconforto per il terremoto (24 agosto 2016) dell’Italia centrale, mi piacerebbe immaginare case con impianti fotovoltaici, solari ecc., costruite con criteri antisismici. Cambiando i modelli di alloggio, si potrebbero realizzare intere città con case interamente rivestite di materiale che non si sbriciola, dalle basi rivestite di materiale diamagnetico su un campo magnetico, che avvertendo con sensori il terremoto, si sollevano lievemente. Per il momento è solo una mia fantasia. Si potrebbero, per ora, mettere in sicurezza gli edifici, come avviene in Giappone.

I materiali con μ_r >1, che è di poco più permeabile del vuoto e costante, sono detti paramagnetici (ossigeno, alluminio, platano, palladio, potassio sodio, manganese e diversi sali). L’intensità del campo all’interno di questi materiali è superiore, anche se di poco, a quello che si avrebbe nel vuoto. Gli atomi di questi materiali sono orientati in modo da costituire piccoli magneti nelle loro molecole, simili a spire percorse da corrente. Ponendoli in un campo magnetico, si ha il fenomeno della polarizzazione delle molecole per deformazione, ma prevale quella per orientamento, per cui si allineano alle linee di forza del campo esterno (polarizzazione magnetica per orientamento), anche se non totalmente. Per questo, una sostanza paramagnetica è attratta dal polo di una calamita, se è avvicinata a esso. In assenza di un campo esterno questi materiali, diversamente dai ferromagnetici, non conservano la magnetizzazione. Aumentando la temperatura, inoltre diminuisce la loro permeabilità magnetica relativa. Nei materiali ferromagnetici (ferro, magnetite, cobalto, nichel e loro leghe) μ_r è molto maggiore di uno e non costante, perché dipendente dall’intensità del campo esterno e dalla temperatura. Questi materiali presentano una magnetizzazione residua anche nel momento in cui il campo magnetico è nullo, restando magnetizzati permanentemente, se posti in un campo magnetico. Si smagnetizzano sia per azioni meccaniche, sia aumentando la temperatura, con l’acquisizione di proprietà paramagnetiche a una determinata temperatura, detta di Curie, variabile nei diversi materiali.

Esercizio n.1.

Il campo magnetico B, al centro di una spira, con permeabilità magnetica relativa 1,00033, ha modulo 5,00 *10^-5. Si deve calcolare il valore B₀ del campo nel vuoto.

Esercizio n.2.

Una spira con raggio=8,0 cm, in un mezzo con permeabilità magnetica relativa μ_r =6000, è attraversata da una corrente elettrica I = 2,00 A. Calcolare il modulo del campo magnetico.

Si ricorda che nel Sistema Internazionale μ₀ =4π *10^-7.

In conclusione, il valore del campo magnetico H, in qualsiasi mezzo non cambia il suo valore, al contrario di quello di B, che dipende dal mezzo.