Fisica classica/Magnetismo della materia: differenze tra le versioni

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Le equazioni finora studiate riguardano i campi magnetici nel vuoto. La presenza di materia tranne che nei materiali ferromagnetici e superconduttori, non altera sensibilmente le equazioni. Infatti potremmo definire una permeabilità magnetica relativa analoga ad <math>\epsilon_r\ </math> in maniera tale che il campo di un solenoide sia:
 
:<math>|\vec B|=\mu_r\mu_{\circ} nI\ </math>
 
Ma nella maggior parte delle sostanze <math>\mu_r\ </math> è prossima all'unità. Vi sono sostanze per cui <math>\mu_r\ </math> è minore di uno che si dicono diamagnetiche e altre in cui <math>\mu_r\ </math> è maggiore di uno che si chiamano paramagnetiche; ma questo non porta nessun cambiamento nei fenomeni di tutti i giorni. I campi magnetici vengono in genere schermati malissimo dalla materia al contrario dei campi elettrici.
 
La teoria del magnetismo della materia viene sviluppata in una maniera simile alla elettrostatica in presenza di materia introducendo un vettore <math>\vec M\ </math> che è una misura del momento di dipolo magnetico nel materiale, le cui dimensioni sono quelle di un dipolo magnetico diviso il volume e quindi nel [[w:Sistema Internazionale|Sistema Internazionale]] si misura in <math>A/m\ </math>. Il vettore <math>\vec M\ </math> determina delle correnti di magnetizzazione che sono sorgenti del campo. Si introduce anche il vettore campo magnetico che dipende dalle sole correnti impresse, non quelle di magnetizzazione, <math>\vec H=0\ </math>.
La teoria del magnetismo della materia viene sviluppata in una maniera simile alla elettrostatica
in presenza di materia introducendo un vettore <math>\vec M\ </math> che è una misura del momento
di dipolo magnetico nel materiale, le cui dimensioni sono quelle di un dipolo
magnetico diviso il volume e quindi nel [[w:Sistema Internazionale|Sistema Internazionale]]
si misura in <math>A/m\ </math>. Il vettore <math>\vec M\ </math> determina delle
correnti di magnetizzazione che sono sorgenti del campo. Si introduce anche il vettore
campo magnetico che dipende
dalle sole correnti impresse, non quelle di magnetizzazione, <math>\vec H=0\ </math>.
 
La relazione tra i vari campi è:
 
:<math>\vec B=\mu_o(\vec H+\vec M)\ </math>
 
Inoltre
 
:<math>\vec M=\chi \vec H\ </math>
 
Dove <math>\chi\ </math> è detta la suscettività magnetica.
Il campo magnetico di un solenoide molto lungo ed ideale, indipendentemente dal materiale con cui è riempito vale:
è riempito vale:
 
:<math>|\vec H|= nI\ </math>
|\vec H|= nI\ </math>
 
Da quanto detto appare chiaro come:
 
:<math>\chi =\mu_r-1\ </math>
 
La magnetizzazione sia paramagnetica che diamagnetica ha una importanza essenzialmente accademica, in quanto dato il valore assoluto molto piccolo di <math>\mu_r\ </math>, come già detto la presenza di materia non modifica il campo di induzione magnetica in maniera significativa.
in quanto dato il valore assoluto molto piccolo di <math>\mu_r\ </math>, come già detto
la presenza di materia non modifica il campo di induzione magnetica in maniera significativa.
 
Il discorso è completamente diverso per due tipi di materiali: i [[w:Superconduttore|superconduttori]] e i materiali [[w:Ferromagnetismo|ferromagnetici]].
materiali: i [[w:Superconduttore|superconduttori]] e i materiali [[w:Ferromagnetismo|ferromagnetici]].
 
== I superconduttori, sono dei solidi che in genere funzionano a==
I superconduttori, sono dei solidi che in genere funzionano a temperature molto basse, oltre ad avere una resistenza elettrica
nulla, godono della proprietà di essere dei diamagneti perfetti cioè <math>\vec B=0\ </math> al loro interno (i superconduttori sono per il campo magnetico l'analogo dei conduttori per il campo elettrico): con essi si realizzano degli schermi magnetici perfetti (con una forte analogia con le gabbie di Faraday per quanto riguarda i campi elettrici).
nulla, godono della proprietà di essere dei diamagneti perfetti
cioè <math>\vec B=0\ </math> al loro interno (i superconduttori sono per il campo magnetico
l'analogo dei conduttori per il campo elettrico): con essi si realizzano degli schermi
magnetici perfetti (con una forte analogia con le gabbie di Faraday per quanto riguarda
i campi elettrici).
 
== I materiali ferromagnetici ==
::{| class="prettytable" style="float:right; margin:0 0 1em 1em; width: 300px"
|colspan=2|+Materiali ferromagnetici cristallini e corrispondenti<br/> [[w:Punto di Curie|temperature di Curie]] in K <ref>{{en}} Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 1996)</ref>
|-
! Materiale
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|}
 
Una altra categoria di sostanze sono i materiali ferromagnetici, per i quali se si potesse parlare di <math>\mu_r\ </math>
sarebbe molto grande anche alcuni milioni: ma parlare di solo <math>\mu_r\ </math> è troppo riduttivo e non esaurisce la descrizione dei fenomeni. Cinque metalli di transizione, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, e la maggior parte dei lantanidi sono ferromagnetici (o antiferromagnetici). Anche molte leghe e composti intermetallici mostrano qualche tipo di ordinamento magnetico. Fe, Co e Ni sono ferromagnetici. L'ordine ferromagnetico si ha al di sotto di una certa temperatura detta temperatura di Curie. Tale temperatura difficilmente supera il migliaio di K come appare dalla tabella a fianco.
 
[[Immagine:Hysteresiscurve.png|thumb|350px|left|Curva di Isteresi di un tipico materiale ferromagnetico sull'asse delle ascisse vi è il campo magnetico H mentre sulle ordinate vi è la magnetizzazione ]]
 
I materiali ferromagnetici hanno la particolare proprietà che magnetizzazione non è una semplice funzione lineare del campo magnetico applicato <math>\vec H\ </math>, come nel caso delle sostanze diamagnetiche e paramagnetiche. Il comportamento è descritto dal ciclo di isteresi, tale curva mostra la peculiarità di tali materiali. Descriviamo tale curva indicata schematicamente a fianco, in cui sull'asse orizzontale riportiamo il campo applicato dall'esterno <math>\vec H\ </math> (proporzionale alla corrente che scorre ad esempio in un solenoide).
Una altra categoria di sostanze sono i materiali
ferromagnetici, per i quali se si potesse parlare di <math>\mu_r\ </math>
sarebbe molto grande anche alcuni milioni: ma parlare di solo
<math>\mu_r\ </math> è troppo riduttivo e non esaurisce la descrizione dei
fenomeni. Cinque metalli di transizione, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, e la maggior
parte dei lantanidi sono ferromagnetici (o antiferromagnetici). Anche
molte leghe e composti intermetallici mostrano qualche tipo di ordinamento
magnetico. Fe, Co e Ni sono ferromagnetici. L'ordine ferromagnetico si ha al di sotto di una certa
temperatura detta temperatura di Curie. Tale temperatura difficilmente supera il migliaio di K
come appare dalla tabella a fianco.
 
Immaginiamo di avere del materiale ferromagnetico che è stato raffreddato a partire da temperatura superiore alla temperatura di Curie (quindi era non ferromagnetico precedentemente) in un campo magnetico esterno molto debole. In tale caso si ha che inizialmente come nella figura a fianco, la magnetizzazione (l'asse verticale) è nulla e cresce in maniera monotona con il campo Magnetico (H)
applicato dall'esterno, come indica la curva centrale. Quando H esterno supera un certo valore la magnetizazzione raggiunge un valore di saturazione (la curva orizzontale), a questo punto anche se viene rimosso il campo esterno il materiale rimane magnetizzato. Per annullare la magnetizzazione è necessario applicare un forte campo magnetico di segno opposto, che se è troppo elevato come nella
figura inverte il segno della magnetizzazione. Per riportare il materiale nelle condizioni di saturazione iniziale è necessario applicare nuovamente un campo H positivo, ma di intensità maggiore di quello iniziale.
 
Tale curva ha un chiaro comportamento di isteresi comune in meccanica ai materiali plastici. La magnetizzazione del materiale dipende dalla storia del materiale. I materiali ferromagnetici trovano moltissimi impieghi nella società moderna. I magneti permanenti sono dei materiali ferromagnetici con un ciclo di isteresi molto ampio, in maniera che una volta portata la magnetizzazione sia molto difficile invertirne il segno con campi magnetici esterni. I materiali ferromagnetici vengono utilizzati per la registrazione di informazioni, nelle cosiddette memorie magnetiche, gli hard disk utilizzano l'inversione di magnetizzazione di saturazione per immagazzinare l'informazione. In questo caso la curva di isteresi deve essere non troppo ampia in maniera da permettere di cambiare la magnetizzazione di saturazione con un campo esterno, ma deve essere abbastanza stabile da non essere influenzato da disturbi esterni. Infine vi sono i cosiddetti ferromagnetici dolci in cui il ciclo di isteresi è molto stretto, in questi materiali vi è una relazione quasi lineare tra H ed M: in questo caso il materiale ferromagnetico genera un campo di induzione magnetica elevato mediante una piccola corrente di controllo: i materiali di questo genere trovano applicazione nei trasformatori di cui si parlerà nel seguito.
[[Immagine:Hysteresiscurve.png|thumb|350px|left|Curva di Isteresi di un tipico materiale
ferromagnetico sull'asse delle ascisse vi è il campo magnetico H mentre sulle ordinate
vi è la magnetizzazione ]]
 
==Note==
I materiali ferromagnetici hanno la particolare proprietà che magnetizzazione non è una semplice
funzione lineare del campo magnetico applicato <math>\vec H\ </math>, come nel caso delle sostanze
diamagnetiche e paramagnetiche. Il comportamento è descritto dal ciclo di isteresi, tale curva
mostra la peculiarità di tali materiali. Descriviamo tale curva indicata schematicamente a fianco,
in cui sull'asse orizzontale riportiamo il campo applicato dall'esterno <math>\vec H\ </math>
(proporzionale alla corrente che scorre ad esempio in un solenoide).
Immaginiamo di avere del materiale ferromagnetico che è stato raffreddato a partire da temperatura
superiore alla temperatura di Curie (quindi era non ferromagnetico precedentemente) in un campo
magnetico esterno molto debole. In tale caso si ha che inizialmente come nella figura a fianco,
la magnetizzazione (l'asse verticale) è nulla e cresce in maniera monotona con il campo Magnetico
(H)
applicato dall'esterno, come indica la curva centrale. Quando H esterno supera un certo valore la
magnetizazzione raggiunge un valore di saturazione (la curva orizzontale), a questo punto anche se
viene rimosso il campo esterno il materiale rimane magnetizzato. Per annullare la magnetizzazione
è necessario applicare un forte campo magnetico di segno opposto, che se è troppo elevato come nella
figura inverte il segno della magnetizzazione. Per riportare il materiale
nelle condizioni di saturazione iniziale è necessario applicare nuovamente un campo H positivo,
ma di intensità maggiore di quello iniziale.
Tale curva ha un chiaro comportamento di
isteresi
comune in meccanica ai materiali plastici. La magnetizzazione del materiale dipende dalla storia
del materiale. I materiali ferromagnetici trovano moltissimi impieghi nella società moderna.
I magneti permanenti sono dei materiali ferromagnetici con un ciclo di isteresi molto ampio,
in maniera che una volta portata la magnetizzazione sia molto difficile invertirne il segno
con campi magnetici esterni. I materiali feromagnetici vengono utilizzati per la registrazion
di informzioni, nele cosidette memorie magnetiche, gli hard disk utilizzano l'inversione di
magnetizzazione di saturazione per immagazzinare l'informazione. In questo caso la curva di isteresi
deve essere non troppo ampia in maniera da permettere di cambiare la magnetizzazione di sataurazione
con un campo esterno, ma deve essere abbastanza stabile da non essere influenzato da disturbi esterni.
Infine vi sono i cosiddetti ferromagneti dolci in cui il ciclo di isteresi è molto stretto,
in questi materiali vi è una relazione quasi lineare tra H ed M: in questo caso il materiale ferromagnetico genera un campo di induzione magnetica elevato mediante
una piccola corrente di controllo: i materiali di questo genere trovano applicazione nei
trasformatori di cui si parlerà nel seguito.
==Referenze==
<references />