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Saturazione magnetica

Che cos'è la saturazione magnetica?

Se un corpo ferromagnetico viene magnetizzato, le forze magnetiche inizialmente aumentano in proporzione all'intensità del campo magnetizzante. A un certo punto, però, si raggiunge la saturazione e le forze magnetiche non aumentano quasi per niente. Questo effetto è chiamato saturazione magnetica ed è la ragione della forza limitata dei magneti permanenti. A causa della saturazione magnetica, non possono esistere magneti di qualunque forza.
Indice

Spiegazione fisica

La magnetizzazione di saturazione è la massima magnetizzazione possibile di un materiale. Questo fatto viene definito saturazione magnetica. Se si cerca di aumentare ulteriormente la magnetizzazione, il materiale si comporta come uno spazio vuoto (vacuum) se il campo magnetico esterno viene ulteriormente aumentato. Come la magnetizzazione stessa, anche la saturazione magnetica si osserva in particolare nei materiali ferromagnetici.

Se un ferromagnete viene posto in un campo magnetico esterno H, la densità di flusso magnetico B aumenta fortemente. Ciò è dovuto al fatto che il campo magnetico allinea gli spin degli elettroni nel materiale del ferromagnete e i momenti magnetici di questi spin, cioè i magneti elementari del materiale, si dispongono in parallelo. Questo processo è noto anche come polarizzazione magnetica. Ciò rafforza il campo esterno, determinando un forte aumento della densità di flusso magnetico e del campo magnetico all'esterno del ferromagnete.

A un certo punto, tuttavia, tutti gli spin esistenti sono allineati in parallelo.

In questo caso, non è possibile amplificare ulteriormente il campo magnetico esterno se questo viene aumentato ulteriormente. La densità di flusso si comporta quindi come nel vuoto se il campo magnetico esterno viene ulteriormente aumentato.

Esperimento sulla saturazione magnetica

La saturazione magnetica può essere osservata in un esperimento. A tale scopo è necessaria una bobina con un nucleo di ferro, una sorgente di tensione regolabile e un dispositivo di misurazione della densità di flusso magnetico, ad esempio una sonda di Hall. Nell'esperimento, la densità di flusso magnetico sulla superficie del nucleo di ferro viene misurata in funzione della corrente applicata. Se si aumenta la corrente attraverso la bobina di ferro, la densità di flusso magnetico aumenta inizialmente in modo significativo. Se la corrente viene raddoppiata, anche la densità di flusso raddoppia circa. A un certo punto, tuttavia, si verifica un effetto di saturazione e la densità di flusso magnetico aumenta solo molto lentamente. Si raggiunge quindi la saturazione magnetica del materiale ferroso. Questo è già il caso del ferro con una densità di flusso di 1-2 Tesla.

Immagine saturazione magnetica
La figura mostra l'andamento della densità di flusso magnetico B durante la magnetizzazione di un materiale ferromagnetico in una bobina. Senza corrente I (I =0), cioè senza tensione U (U=0), gli spin degli elettroni (indicati in rosso) sono allineati in parallelo solo nei domini di Weiss. Nel complesso, la magnetizzazione si annulla ed è pari a zero nello spazio esterno (immagine di sinistra). Quando si applica una corrente I1 (aumentando la tensione U fino al valore U1), la densità di flusso magnetico B aumenta notevolmente (fino al valore B1) perché i vari domini Weiss si fondono e sempre più spin atomici si allineano in parallelo. Se poi la corrente della bobina I viene ulteriormente aumentata fino al valore I2, che può essere molto maggiore di I1, si può osservare che la densità di flusso magnetico e quindi le forze magnetiche aumentano solo leggermente (fino al valore B2, che è solo leggermente maggiore di B1). Tutti gli spin sono quindi allineati in parallelo e un ulteriore aumento della corrente comporta solo un leggero incremento delle forze magnetiche.

Cosa succede nella zona di magnetizzazione di saturazione?

Nella zona di magnetizzazione di saturazione, la permeabilità magnetica μ del ferromagnete cala bruscamente e si avvicina al valore μ=1. Di conseguenza, anche la conducibilità magnetica del ferromagnete scende al valore del vuoto.

Si può immaginare che l'allineamento degli spin atomici determini una maggiore conduttività per i campi magnetici. Un numero significativamente maggiore di linee di campo magnetico "entra" in un ferromagnete rispetto al vuoto. Tuttavia, se il campo diventa così forte da sfruttare appieno questa maggiore conduttività, attraverso il ferromagnete non “entreranno” più linee di campo che nel vuoto se il campo magnetico viene ulteriormente aumentato. Questo accade proprio quando si raggiunge la magnetizzazione di saturazione

Se un materiale ferromagnetico è esposto alla magnetizzazione di saturazione, il numero massimo di spin atomici è allineato in parallelo. La magnetizzazione non aumenta ulteriormente. In questo caso, la magnetizzazione massima possibile rimane anche quando il campo esterno viene nuovamente spento (senza invertire la polarità). Questa magnetizzazione residua viene definita rimanenza.

La figura mostra una curva di isteresi di un materiale magneticamente duro, utilizzato ad esempio nei trasformatori. Il punto BS indica la magnetizzazione di saturazione. In questo punto, la densità di flusso magnetico B aumenta solo leggermente con un ulteriore aumento del campo magnetico esterno H (la pendenza della linea retta nera ha il valore µ0, poiché µ=1). Con campi magnetici più piccoli, la magnetizzazione aumenta più fortemente di un fattore µ (linea retta rossa). Per il ferro, µ può assumere un valore di diverse migliaia. Nel punto di magnetizzazione di saturazione, µ=1. Il punto BR indica la rimanenza che rimane quando il campo esterno viene spento di nuovo dopo la saturazione magnetica.
La figura mostra una curva di isteresi di un materiale magneticamente duro, utilizzato ad esempio nei trasformatori. Il punto BS indica la magnetizzazione di saturazione. In questo punto, la densità di flusso magnetico B aumenta solo leggermente con un ulteriore aumento del campo magnetico esterno H (la pendenza della linea retta nera ha il valore µ0, poiché µ=1). Con campi magnetici più piccoli, la magnetizzazione aumenta più fortemente di un fattore µ (linea retta rossa). Per il ferro, µ può assumere un valore di diverse migliaia. Nel punto di magnetizzazione di saturazione, µ=1. Il punto BR indica la rimanenza che rimane quando il campo esterno viene spento di nuovo dopo la saturazione magnetica.

Conseguenze della magnetizzazione di saturazione per le applicazioni tecniche

La magnetizzazione di saturazione significa che un campo magnetico non viene più amplificato da un materiale ferromagnetico.

Questo comporta degli svantaggi in numerose applicazioni tecniche. I trasformatori, ad esempio, sono coppie di bobine contrapposte con un numero diverso di spire. Le bobine hanno un nucleo di ferro, che determina una conversione molto efficiente dell'energia elettrica in energia magnetica di un forte campo magnetico nella bobina. Questo campo magnetico induce a sua volta una corrente nella bobina opposta, con valori specifici di tensione e corrente che possono essere stabiliti dalle proprietà di questa bobina, ma con una potenza totale simile.

Se il nucleo di ferro ha un'elevata permeabilità magnetica μ, questo metodo di conversione della tensione elettrica è molto efficiente. La potenza persa è quindi minima. Ad esempio, il trasformatore può ridurre la tensione della presa da 220 V a 12 V senza causare grandi perdite, perché la corrente nel circuito primario è corrispondentemente bassa. Nella zona di magnetizzazione per saturazione, l'efficienza della conversione da energia elettrica a magnetica e quindi l'efficienza del trasformatore diminuiscono. La magnetizzazione di saturazione è quindi indesiderabile nei trasformatori.

Il traferro impedisce la saturazione magnetica prematura

Con un traferro nel nucleo di ferro, l'aumento della densità di flusso magnetico può essere rallentato e la saturazione magnetica avviene più tardi. Il traferro ha una resistenza magnetica molto più elevata del nucleo di ferro. Pertanto, ostacola la magnetizzazione del materiale ferromagnetico. Nel complesso, la magnetizzazione del nucleo del trasformatore aumenta quindi più lentamente rispetto a quella senza traferro. Tuttavia, la magnetizzazione è proporzionale al campo esterno in un ampio intervallo.
Il traferro ha quindi una vera e propria importanza tecnica nella tecnologia dei campi magnetici.


Ritratto del dott. Franz-Josef Schmitt
Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt

Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

Il diritto d'autore sull'intero contenuto del compendio (testi, foto, illustrazioni ecc.) appartiene all'autore Franz-Josef Schmitt. I diritti esclusivi di utilizzazione dell'opera appartengono a Webcraft GmbH, Svizzera (come gestore di supermagnete.ro). Senza espressa autorizzazione di Webcraft GmbH non è permesso copiarne il contenuto né utilizzarlo in alcun'altra forma. Proposte di miglioramento o complimenti riguardo al compendio possono essere inviati per e-mail a [email protected]
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