Polarizzazione magnetica
Che cos'è la polarizzazione magnetica?
La polarizzazione magnetica di un materiale ferromagnetico si riferisce all'allineamento dei magneti elementari nel materiale, cioè al processo di magnetizzazione. La direzione e la forza delle forze magnetiche create dai magneti elementari allineati è spesso definita polarizzazione magnetica. I magneti con polarizzazione inversa sono quelli in cui il polo nord di un magnete si trova nella posizione del polo sud dell'altro magnete e viceversa.Indice
La polarizzazione magnetica è il processo di allineamento dei momenti magnetici.
Una volta completato l'allineamento, la polarizzazione si riferisce alla direzione lungo la quale i magneti elementari
sono stati allineati.
La polarizzazione magnetica si manifesta come magnetizzazione
e indica anche la direzione della magnetizzazione.
Due magneti diversi sono detti a polarizzazione inversa o opposta se entrambi i magneti hanno i loro poli nord
e poli sud
alle estremità opposte.
Origine della polarizzazione magnetica
Fisicamente, la polarizzazione magnetica si verifica quando i momenti magnetici presenti nella materia vengono allineati da un campo magnetico esterno. Di conseguenza, le forze magnetiche di tutti i momenti magnetici si sommano e il campo magnetico esterno viene amplificato di un fattore μ, la permeabilità magnetica. Questo è esattamente il caso se nella materia sono presenti momenti magnetici che possono essere allineati. Questi possono essere, ad esempio, gli spin dei singoli elettroni. I materiali con questa proprietà sono paramagnetici o addirittura ferromagnetici. Il processo di polarizzazione della materia può essere osservato quando un materiale ferromagnetico viene posto in un campo magnetico esterno.Se un campo magnetico esterno H0 agisce su un materiale con permeabilità magnetica μ, si crea una densità di flusso magnetico B che è maggiore del fattore μ del materiale rispetto al vuoto: B=μμ0H0.
Questa variazione apparente della densità del flusso magnetico, causata dall'influenza della materia rispetto al vuoto, è nota come polarizzazione magnetica ed è indicata con la lettera J. Un materiale ferromagnetico, ad esempio, aumenta la densità del flusso magnetico. La polarizzazione magnetica in un campo esterno H0 è determinata dalla suscettibilità magnetica χ del materiale: J=χμ0H0.
Poichè B=μ0H0+J μ=(1+χ) rappresenta la relazione tra la suscettibilità magnetica χ e la permeabilità magnetica μ.
Riscontro sperimentale
In un esperimento, la polarizzazione magnetica può essere determinata misurando la densità di flusso magnetico all'estremità di una bobina di filo quando una corrente attraversa la bobina. A tale scopo si può utilizzare, ad esempio, una sonda di Hall. Se nella bobina viene inserito un materiale ferromagnetico, ad esempio un cilindro di ferro, si misurerà una densità di flusso magnetico molto maggiore rispetto a quella che si ottiene senza il nucleo di ferro..
Se ai capi di una bobina viene applicata una tensione U, scorre una corrente I.
Questa corrente, a sua volta, provoca una densità di flusso magnetico B.
L'entità del flusso dipende in particolare dalla permeabilità magnetica del volume racchiuso dalla bobina.
Se la bobina è riempita d'aria (μ=1, lato sinistro), si forma un flusso magnetico B, rappresentato dalle linee di campo nella figura.
Tuttavia, se nella bobina viene introdotto un materiale ferromagnetico con una permeabilità superiore a 1 (per il ferro, μ può assumere valori fino a 100000), gli spin atomici del materiale si allineano parallelamente al campo magnetico generato (gli spin atomici sono indicati in rosso, lato destro).
Il flusso magnetico B è significativamente maggiore a causa di questo processo di cosiddetta polarizzazione magnetica.
È quindi possibile misurare un campo magnetico molto più forte sulla superficie del magnete e anche le forze magnetiche di una bobina con un nucleo di ferro magneticamente polarizzato sono notevolmente maggiori.
Relazione tra polarizzazione magnetica e densità di flusso magnetico
Nel vuoto (μ=1), il campo magnetico H0 corrisponde a una densità di flusso magnetico B=μ0H0.La polarizzazione magnetica J è aggiunta dalla materia: B=μ0H0+J.
Ciò corrisponde ad un aumento del campo magnetico H
rispetto al campo magnetico esterno H0
per mezzo della magnetizzazione M:
H=H0+M.
La polarizzazione magnetica corrisponde quindi fondamentalmente alla magnetizzazione. La polarizzazione magnetica è la densità di flusso magnetico che appartiene al campo magnetico di una certa magnetizzazione. La magnetizzazione è un campo magnetico, mentre la polarizzazione magnetica è una densità di flusso magnetico.
Poichè B=μ0H ne consegue che B=μ0H0+μ0M.
Poiché B=μ0H0+J, la polarizzazione magnetica J è ancora una volta uguale al prodotto della magnetizzazione M e della costante di permeabilità del vuoto μ0: J=μ0M
La magnetizzazione si misura in ampere per metro (A/m), mentre l'unità di misura della polarizzazione magnetica corrisponde all'unità di misura della densità di flusso magnetico Tesla (T).
Nei ferromagneti, parte della polarizzazione magnetica viene mantenuta anche se il campo magnetico esterno viene spento. Questa polarizzazione magnetica residua viene definita rimanenza. La ragione della polarizzazione magnetica residua nei materiali ferromagnetici è l'allineamento permanente dei momenti magnetici degli spin degli elettroni. Gli spin degli elettroni rimangono nello stato allineato a causa dell'interazione di scambio. L'allineamento dei momenti magnetici può essere distrutto solo con l'applicazione di calore, con forti impatti o con un adeguato campo di forze coercitive opposte.
I diamagneti non presentano momenti magnetici permanenti. Tuttavia, se un materiale diamagnetico viene posto in un campo magnetico esterno, si verifica comunque un effetto, ovvero l'induzione di correnti circolari nel materiale. L'induzione di correnti circolari nel materiale è un effetto presente anche nelle sostanze paramagnetiche e ferromagnetiche, ma è sovrapposto ai momenti magnetici permanenti, cioè al para- e al ferromagnetismo. Le correnti circolari indotte hanno esse stesse momenti magnetici. Tuttavia, questi non rafforzano il campo esterno, ma lo indeboliscono (secondo la legge di Lenz) perché sono diretti in direzione opposta al campo magnetico esterno.
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.
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.
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