Isteresi magnetica

L'isteresi magnetica è un fenomeno che riguarda i materiali ferromagnetici; il ciclo di isteresi magnetica è il processo che descrive la magnetizzazione di un dato materiale a fronte della sollecitazione di un campo magnetico esterno, man mano che l'intensità di quest'ultimo varia.

Quando abbiamo elencato le proprietà dei materiali ferromagnetici abbiamo anticipato che essi presentano un particolare comportamento, quando sono soggetti a un campo magnetico esterno che varia di intensità.

Tale comportamento è per l'appunto l'isteresi magnetica, la cui peculiarità è che la magnetizzazione indotta dal campo esterno è dovuta sia alle condizioni istantanee, sia alle condizioni pregresse in cui si trovava il materiale in precedenza. Vediamo di cosa si tratta.

Isteresi magnetica nei materiali ferromagnetici

Le sostanze ferromagnetiche hanno un comportamento particolare quando vengono collocate all'interno di un campo magnetico esterno, e come vedremo reagiscono in modo diverso rispetto ai materiali diamagnetici e paramagnetici.

Tale comportamento è ben descritto da quello che viene chiamato ciclo di isteresi magnetica. Ricordiamo che in passato ci siamo già imbattuti nel fenomeno dell'isteresi, e in particolare quando abbiamo trattato il ciclo di isteresi plastica; in quel frangente avevamo fornito la seguente definizione generale:

si definisce isteresi un fenomeno per cui una grandezza di un sistema, definita mediante altre grandezze che lo caratterizzano, dipende dai loro valori istantanei e dai valori che esse hanno assunto precedentemente.

In altri termini si può affermare che l'isteresi è la proprietà di un sistema di reagire sia alle condizioni istantanee, sia (in ritardo) alle condizioni precedenti.

Consideriamo un oggetto costituito da materiale ferromagnetico, come potrebbe essere banalmente il ferro. Vogliamo analizzare come cambia l'intensità della magnetizzazione del materiale al variare dell'intensità del campo magnetico esterno. Usiamo le notazioni che abbiamo introdotto nella lezione sulle proprietà magnetiche della materia, e indichiamo:

- il campo magnetico esterno con

- la magnetizzazione del materiale con

- l'induzione magnetica con

Prendiamo come riferimento il grafico del ciclo di isteresi magnetica, tracciato su un piano cartesiano OHM. Onde evitare fraintendimenti specifichiamo che indicano rispettivamente i moduli del campo esterno e della magnetizzazione (per definizione non negativi), e che i segni si riferiscono all'orientazione dei campi. Si tratta quindi di vettori espressi come moduli con segno.

Ciclo di isteresi magnetica.

Partiamo dal punto O: non c'è alcun campo magnetico esterno , né alcuna magnetizzazione all'interno del materiale.

Immaginiamo di poter modulare il valore del campo esterno , che possiamo intensificare o indebolire a nostro piacimento, ad esempio regolando l'intensità della corrente che lo genera.

Alziamo in modo progressivo l'intensità del campo magnetico esterno fino al massimo valore , seguendo la curva di prima magnetizzazione. Qui si osserva che la magnetizzazione aumenta fino al valore massimo , detto valore di saturazione.

Ora riduciamo il valore del campo magnetico esterno fino ad annullarlo. Potremmo aspettarci che la magnetizzazione segua il percorso a ritroso, tornando nella posizione iniziale e quindi annullandosi, ma non è ciò che accade.

Si scopre infatti che la magnetizzazione , pur diminuendo, si attesta a un valore maggiore di zero quando il campo magnetico esterno è nullo . Tale valore prende il nome di magnetizzazione residua.

In questo contesto si dice che il materiale è stato magnetizzato, creando così un magnete artificiale. Ciò è dovuto ai microscopici circuiti di corrente presenti nel materiale che hanno subito un'orientamento forzato dal campo esterno e che ora si trovano in una posizione stabile, diversa da quella iniziale, mantenuta delle forze di interazione reciproche. In altri termini si è verificata una polarizzazione magnetica del materiale.

Per annullare la magnetizzazione residua nel materiale è necessario aumentare il campo esterno invertendo il segno. In questo modo costringiamo il campo a diminuire, fino ad annullarsi in ; il valore del campo esterno che annulla la magnetizzazione prende il nome di campo di coercizione.

Se continuiamo a "diminuire" il campo magnetico esterno , ossia ad aumentarne il modulo nel verso opposto, il materiale si magnetizza nuovamente con un campo che a sua volta aumenta in modulo nel verso opposto.

Se portiamo il campo magnetico esterno al valore pari in modulo a quello massimo, ma negativo, il campo "diminuisce" fino al valore .

Se infine incrementiamo il valore del campo magnetico esterno in modo inverso a quanto appena fatto, il grafico segue un percorso simile a quello appena tracciato, ma non coincidente:

- si passa per un valore di magnetizzazione residua in corrispondenza di un campo esterno nullo

- successivamente si giunge a un valore di magnetizzazione nullo in concomitanza di un campo di coercizione

- infine, si arriva al massimo valore di magnetizzazione in corrispondenza del massimo valore di campo esterno .

In questo modo abbiamo compiuto un ciclo di isteresi magnetica completo. Dal punto potremmo ripetere nuovamente l'intero processo e ripercorrere lo stesso identico grafico.

Caratteristiche principali dell'isteresi magnetica

Concludiamo con alcune importanti osservazioni.

1) Ribadiamo, a scanso di equivoci, che il ciclo di isteresi magnetica è tipico dei materiali ferromagnetici.

2) Come vedete non siamo più tornati al punto iniziale O, e non abbiamo mai più percorso il tratto di prima magnetizzazione.

3) Nei punti di magnetizzazione residua il campo magnetico esterno è nullo. Questa è la condizione in cui si trovano i materiali che vengono magnetizzati in modo permanente (come le bande delle carte di credito, a meno che non si smagnetizzino trovandosi a ridosso di campi magnetici esterni).

4) È possibile smagnetizzare un materiale ferromagnetico anche percorrendo cicli di isteresi sempre più stretti, in modo da far "collassare" progressivamente la curva in prossimità dell'origine.

5) La permeabilità magnetica assoluta, descritta dalla formula

varia da materiale a materiale e non solo: varia anche a parità di materiale, nel senso che può essere determinata a partire dall'induzione magnetica e dal campo esterno in base al punto del ciclo di isteresi che si considera. Se si fa riferimento all'intero ciclo di isteresi non è possibile esprimere l'induzione magnetica come funzione del campo magnetico esterno .

Non è ancora il momento di trattare i materiali diamagnetici e paramagnetici. Prima vogliamo presentarvi un importante dispositivo il cui funzionamento si basa sull'utilizzo dei materiali ferromagnetici: l'elettromagnete.

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Buona Fisica a tutti!

Alessandro Catania (Alex)

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