Isteresi

L'isteresi è l'effetto per cui la magnetizzazione di un materiale ferromagnetico non è esattamente proporzionale al campo magnetico esterno e dipende dal pretrattamento magnetico del materiale. Ciò significa che la magnetizzazione di un oggetto contenente ferro, ad esempio, non raddoppia quando il campo magnetico esterno viene raddoppiato. In particolare, i materiali ferromagnetici rimangono leggermente magnetizzati quando il campo magnetico esterno viene completamente spento. Questa magnetizzazione residua viene definita rimanenza.

La magnetizzazione di un ferromagnete aumenta inizialmente con il campo magnetico esterno. Se il campo magnetico esterno viene ridotto, anche la magnetizzazione diminuisce nuovamente. Tuttavia, questo processo è più lento del precedente aumento della magnetizzazione, per cui la magnetizzazione (rimanenza) rimane anche quando il campo magnetico è completamente spento. Questa relazione non proporzionale è un certo “ritardo” della densità di flusso magnetico rispetto all'intensità del campo magnetizzante. Il termine isteresi deriva dal greco ηψστερoσ (hysteros = in ritardo).

Curva di isteresi per materiali ferromagnetici

Una curva matematica che indica la rispettiva magnetizzazione come densità di flusso magnetico B a un determinato campo magnetico esterno H è chiamata curva di isteresi (vedi figura).

Anello di isteresi = Curva di isteresi

Nella letteratura scientifica, i termini "curva di isteresi" e "anello di isteresi" si riferiscono allo stesso fenomeno, che si osserva in tutti i materiali ferromagnetici e in altri sistemi fisici. In genere si intende il ritardo nella magnetizzazione di un materiale in relazione al campo magnetico applicato.

Tuttavia, questo ritardo non è inteso in termini di tempo, ma in termini di forza raggiunta. Se il campo magnetico viene variato, la magnetizzazione ritarda leggermente rispetto al valore calcolato raggiungibile, che viene mostrato come un anello in un diagramma (figura). Questo ciclo di isteresi è un concetto importante nella scienza dei materiali, in quanto fornisce informazioni sulle proprietà magnetiche e sulle perdite di energia del materiale.

La curva di isteresi è diversa per i vari materiali e si verifica solo con i materiali ferromagnetici. Un materiale magneticamente morbido è caratterizzato dalla curva di isteresi mostrata nella figura a sinistra, un materiale magneticamente duro dalla curva di isteresi a destra.

L'area racchiusa dalla curva di isteresi ha la dimensione di un'energia (il prodotto dell'energia, ad esempio, è il prodotto del campo magnetico H e della densità di flusso magnetico B, così come l'area di un rettangolo è il prodotto della larghezza e della lunghezza). L'area racchiusa dalla curva di isteresi è proprio l'energia per unità di volume del magnete che deve essere spesa durante un ciclo di magnetizzazione dalla densità di flusso di saturazione positiva B_S alla densità di flusso di saturazione negativa –B_S e il successivo percorso di ritorno da –B_S a B_S. Questa energia viene rilasciata come calore durante il processo di magnetizzazione. Questa energia è maggiore per i materiali magneticamente duri che per quelli magneticamente morbidi. I materiali duri sono di conseguenza più resistenti a piccoli disturbi della magnetizzazione causati da campi magnetici esterni, calore o urti e sono adatti come materiali magnetici per i magneti permanenti. Le sostanze magnetiche morbide sono utilizzate per i trasformatori, poiché la rimagnetizzazione consuma poca energia.

La nuova curva

Nell'esempio a sinistra, la curva rossa indica l'andamento del densità di flusso magnetico in un materiale non ancora magnetizzato. Si parla anche di curva nuova o "vergine".

In questo caso, la densità di flusso magnetico e quindi anche la magnetizzazione M del materiale è approssimativamente lineare rispetto al campo magnetico esterno H. La formula è: M=(μ-1)•H. Dove μ è la permeabilità magnetica.

Cosa succede al campo magnetico all'interno del materiale?

Il campo magnetico all'interno del materiale è dato dalla somma del campo magnetico esterno H e della magnetizzazione del materiale M.

Se il corpo è già magnetizzato, un campo magnetico H, diretto in direzione opposta alla magnetizzazione del corpo, provoca inizialmente un indebolimento della magnetizzazione esistente. Solo a partire dalla cosiddetta intensità del campo coercitivo H_c si verifica una magnetizzazione parallela al campo magnetico esterno, ovvero una rimagnetizzazione. La nuova magnetizzazione aumenta in modo non lineare fino all'intensità di campo di saturazione B_S. Se poi il campo magnetico esterno viene nuovamente ridotto, la densità di flusso magnetico nel materiale diminuisce più lentamente di quanto non sia aumentata in precedenza. Infine, anche la rimanenza B_R persiste.

Basi fisiche dell'isteresi

Le basi fisiche dell'isteresi risiedono nell'esistenza degli spin di elettroni come momenti magnetici elementari delle sostanze ferromagnetiche. La forte magnetizzazione di queste sostanze nei campi magnetici esterni è dovuta al fatto che i momenti magnetici si allineano in un campo magnetico esterno e sono stabilizzati dall'interazione di scambio. I momenti magnetici allineati trasformano il materiale ferromagnetico in un magnete.

All'intensità di campo di saturazione e all'associato flusso magnetico saturo B_S, tutti i momenti magnetici sono allineati in parallelo. Questo stato viene definito saturazione magnetica.

Dopo l'allineamento, i momenti magnetici degli spin degli elettroni sono in interazione di scambio reciproco. L'energia di questa interazione deve essere spesa per annullare la magnetizzazione di un materiale, cioè per distruggere nuovamente l'allineamento degli spin di elettroni stabilizzati. Ciò significa che la magnetizzazione diminuisce più lentamente di quanto sia stata creata, perché i momenti magnetici del campione si stabilizzano a vicenda. Per annullare questa stabilizzazione occorre energia. Se l'interazione di scambio è grande, la curva di isteresi copre un'ampia area e si parla di materiali magneticamente duri.