Ferromagnetismo e materiali ferromagnetici

Il ferromagnetismo è un fenomeno tipico dei materiali che hanno elevata propensione a magnetizzarsi in presenza di un campo magnetico esterno. I materiali ferromagnetici si distinguono in duri e dolci: i primi si magnetizzano più difficilmente, ma diventano magneti permanenti; i secondi si magnetizzano più facilmente e altrettanto facilmente tendono a smagnetizzarsi.

Nella precedente lezione abbiamo studiato le proprietà magnetiche della materia in generale, e abbiamo fornito una classificazione dei materiali tra ferromagnetici, diamagnetici e paramagnetici.

Ora ci soffermiamo sulla prima delle tre tipologie: ci occupiamo dei materiali ferromagnetici, ne analizziamo il comportamento in presenza di un campo magnetico esterno e ne proponiamo una sotto-classificazione in base al tipo di magnetizzazione.

Concludiamo infine con una tabella dei principali materiali ferromagnetici e con i relativi valori di permeabilità relativa.

Magnetizzazione dei materiali ferromagnetici

Alcuni materiali sono più facili da magnetizzare di altri. Magnetizzare un materiale significa far sì che esso acquisisca un proprio campo magnetico quando viene inserito in uno spazio in cui è presente un campo magnetico esterno.

I materiali con la maggior propensione a magnetizzarsi si chiamano ferromagnetici e tra di essi vi sono ad esempio il ferro, il cobalto e il nichel.

Il motivo per cui i materiali ferromagnetici riescono ad acquisire un campo magnetico proprio va ricercato nella loro struttura microscopica. Dobbiamo ricordare che gli elettroni che si muovono attorno ai nuclei atomici sono cariche in movimento, e in quanto tali generano un proprio campo magnetico a livello microscopico.

In particolare i materiali ferromagnetici presentano delle zone in cui tutti i campi magnetici microscopici si allineano e si sommano tra loro. Queste piccole regioni di volume si chiamano domini magnetici e possono avere dimensioni comprese tra 10^-18 e 10^-12 m³.

Ogni dominio contiene in media tra 10¹⁷ e 10²¹ atomi e ha un proprio campo magnetico orientato lungo una direzione casuale, per cui la somma dei campi di tutti i domini è uguale a zero.

Campi magnetici dei domini nei materiali ferromagnetici.

Quando però il materiale ferromagnetico viene sollecitato da un campo magnetico esterno, i domini tendono ad allineare i propri campi nella direzione e nel verso di quello esterno. Si osserva anche che i domini che inizialmente avevano già un campo magnetico orientato come quello esterno crescono di volume, a discapito di quelli che avevano una diversa orientazione.

Il risultato di questo fenomeno è che il materiale ferromagnetico acquisisce un proprio campo magnetico macroscopico percepibile e misurabile, detto magnetizzazione, che di fatto è dato dalla somma vettoriale di tanti piccoli contributi originatisi grazie al moto degli elettroni negli atomi.

Caratteristiche e persistenza della magnetizzazione: materiali ferromagnetici duri e dolci

1) La principale caratteristica che distingue i materiali ferromagnetici da quelli paramagnetici e diamagnetici riguarda i loro valori di permeabilità magnetica relativa.

Sappiamo che la permeabilità magnetica è una grandezza che esprime la propensione di un materiale a magnetizzarsi, e che a partire da essa si definisce la permeabilità magnetica relativa come rapporto tra permeabilità magnetica del materiale e permeabilità magnetica nel vuoto:

In particolare i materiali ferromagnetici presentano valori di permeabilità magnetica relativa molto maggiori di 1 (e tipicamente variabili, a parità di materiale e al variare del campo magnetico esterno):

2) Tornando alla magnetizzazione, quando il campo magnetico esterno viene rimosso un materiale ferromagnetico continua a mantenere il proprio campo: si dice allora che il materiale è stato magnetizzato.

3) I materiali ferromagnetici seguono inoltre il ciclo di isteresi magnetica, di cui parleremo nella lezione successiva.

4) Un'ulteriore caratteristica è che si possono manifestare due comportamenti diversi, in base ai quali si distingue tra materiali ferromagnetici duri e dolci.

I materiali ferromagnetici duri sono più difficili da magnetizzare, ma sono quelli che mantengono la magnetizzazione in modo permanente.

Un materiale di questo genere quando viene magnetizzato diventa un magnete permanente, ed è del tipo che viene utilizzato nei dispositivi tecnologici in cui si vogliono conservare informazioni a lungo, come i nastri sui cui un tempo si registrava la musica e le bande magnetiche delle tessere (si pensi a bancomat e carte di credito).

I materiali ferromagnetici dolci sono quelli che si magnetizzano facilmente, ma che tendono a smagnetizzarsi altrettanto facilmente col passare del tempo dopo che è stato azzerato il campo magnetico esterno.

Un impiego dei materiali ferromagnetici dolci è dato dall'elettromagnete, un dispositivo che è in grado di creare un campo magnetico modulabile grazie alla variazione dell'intensità di corrente che scorre in una bobina. Regolando la corrente si può modificare l'intensità del campo magnetico generato da essa, e nel momento in cui la corrente cessa di scorrere nella bobina il campo rimasto nel nucleo ferromagnetico è talmente debole da svanire in poco tempo. Se venisse usato un materiale duro per il nucleo, il magnetismo residuo perdurerebbe nel tempo e renderebbe l'elettromagnete inutilizzabile.

Smagnetizzazione dei materiali ferromagnetici

Ciò che permette a un qualsiasi materiale ferromagnetico di perdere la magnetizzazione acquisita è il movimento degli atomi dovuto all'agitazione termica. Se gli atomi si agitano i domini magnetici possono infatti perdere la giusta orientazione e così, anziché avere campi magnetici microscopici orientati nello stesso modo, si producono orientazioni casuali. La somma vettoriale dà quindi un campo risultante nullo, con la conseguente smagnetizzazione del materiale.

Questo fenomeno è evidente quando si innalzano le temperature, indipendentemente dal materiale ferromagnetico considerato, perché tanto più è alta la temperatura, tanto più è accentuato il movimento di agitazione termica. Il valore di temperatura oltre il quale un ferromagnetico perde la propria magnetizzazione varia da materiale a materiale, e prende il nome di temperatura di Curie (o punto di Curie).

Il ferro ad esempio perde completamente la propria magnetizzazione quando la temperatura viene fatta salire fino a 770 °C; il cobalto a 1117 °C; il nichel a 347 °C.

Tabella dei principali materiali ferromagnetici

Concludiamo con una tabella dei principali materiali ferromagnetici, elencando per ciascuno di essi i valori di permeabilità magnetica e di permeabilità magnetica relativa.

Prima di passare ai materiali paramagnetici e diamagnetici, nella prossima lezione affronteremo il fenomeno di isteresi magnetica.

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Buona Fisica a tutti!

Alessandro Catania (Alex)

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Tags: cosa sono i materiali ferromagnetici dolci e duri - comportamento dei materiali ferromagnetici e tabella.

Ultima modifica: 08/05/2023