Cos'è il magnetismo e quali sono le sue principali caratteristiche?

Scopriamo insieme le principali caratteristiche del magnetismo

Vorresti capire cos’è la densità di flusso? Vorresti conoscere il significato di forza coercitiva o che cosa la differenzia dalla forza coercitiva intrinseca? Sei nel posto giusto.

Vedremo qui le principali definizioni relative al magnetismo.

Ma cos'è il magnetismo?

Il magnetismo è una scienza che tratta i fenomeni magnetici.

Alcuni fenomeni magnetici macroscopici erano noti fin dall'antichità. Gli antichi cinesi e greci scoprirono che alcune pietre naturali come la magnetite, erano in grado di attrarre piccoli pezzi di ferro. 

Il nome Magnete deriva proprio da qui. Infatti si chiamava Magnesia l'area della Tessaglia dell'antica Grecia in cui venivano estratte queste pietre.

Fin dai tempi antichi si era verificato che se queste pietre erano lasciate libere di muoversi, sospese ad un filo o lasciate galleggiare sull’acqua, si orientavano sempre nella stessa direzione.

Da qui i primi navigatori usarono i magneti per determinare la direzione di navigazione in mare e nacque così la bussola.

Da Archimede a Galileo Galilei, da Keplero a Benjamin Franklin, arrivando a Coulomb, Faraday e Maxwell fino all'epoca moderna. Nel corso degli anni molti sono stati gli studi sui fenomeni magnetici e i magneti stessi hanno subito un'evoluzione. Si sono scoperti infatti negli anni nuovi materiali ferromagnetici, che combinati insieme possono diventare magnetici attraverso l’applicazione di un forte campo magnetico esterno.

Il primo magnete prodotto dall’uomo risale al XVIII° secolo, ma solo nel 1920 la ricerca portò alla realizzazione di leghe forti e prestanti, come i magneti in Alnico, lega di nichel alluminio e cobalto. La scoperta della Ferrite invece risale agli anni ’50 e quella dei magneti a Terre Rare agli anni ’70.

Da allora la scienza del magnetismo è progredita in maniera esponenziale sviluppando materiali magnetici estremamente potenti che hanno reso possibile all’industria di utilizzarli per produrre dispositivi sempre più piccoli e potenti.

TERMINOLOGIA MAGNETICA

Il magnetismo non é diverso da altre tecnologie ad alto livello nel fatto di avere un proprio linguaggio. La conoscenza dei termini e essenziale per capire il significato e i risultati delle misurazioni magnetiche eseguite.

Per molti anni è stato utilizzato il sistema di unità CGS (centimetro-grammo-secondo). Recentemente il SI (Sistema Internazionale) o MKS razionalizzato (metro-chilogrammo-secondo) è stato proposto come l'unico metodo per esprimere le quantità magnetiche.

Tuttavia, il sistema CGS è molto diffuso e ha delle caratteristiche che lo rendono preferibile al SI. Per questo motivo il sistema CGS e ancora largamente adottato ed e il sistema preferito in molte applicazioni pratiche.

Vediamo nella tabella 1 il confronto delle unita di misura di ciascun sistema che possono tornare utili nella misurazione.

Vediamo alcuni dei termini magnetici più comuni. Un elenco più ampio e dettagliato si può trovare nella guida ASTM di riferimento:

ASTM Designation A340-77, "Standard Definitions of Terms, Symbols and Conversion Factors Relating To Magnetic Testing", 1977.

Cosa significa "campo magnetico" e "flusso magnetico"?

In letteratura, i termini "campo magnetico", "flusso magnetico" e "densità di flusso" sono spesso usati come sinonimi. Questo non è corretto, in quanto si tratta di grandezze fisiche diverse, ma strettamente correlate tra loro. Di seguito vi spieghiamo come queste grandezze differiscano l'una dall'altra.

Campo magnetico / Intensità del campo magnetico (H)

Il campo magnetico è un campo di energia elettromagnetica che trasmette le forze di un magnete.

Nei disegni, il campo magnetico è spesso simboleggiato da linee di campo. È anche possibile renderlo visibile nella pratica, ad esempio utilizzando limatura di ferro su un foglio sotto il quale è presente un magnete.

Secondo la definizione, le linee del campo magnetico corrono sempre dal polo nord al polo sud di un magnete e da lì attraverso il magnete di nuovo al polo nord, in modo da formare un circuito chiuso.

Il campo magnetico è rappresentato dalla lettera H e misurato in ampere per metro.

Fonte immagine: Supermagnete

Densità di flusso magnetico (B)

La densità di flusso magnetico B descrive la densità e la direzione delle linee di campo che attraversano una superficie A nello spazio. Più le linee di campo sono fitte, maggiore è la densità di flusso magnetico. È misurata in Tesla (T).

Fonte immagine: Supermagnete 

Campo magnetico / Flusso magnetico (Φ)

Il flusso magnetico Φ è la densità di flusso magnetico che attraversa una superficie immaginaria.

Se le linee di campo sono linee rette (ad esempio tra i poli di un magnete a ferro di cavallo), il flusso magnetico Φ attraverso una certa superficie A, perpendicolare al flusso, può essere calcolato come segue:

Φ = BxA

L'unità di misura è Tm².

Cos’è la forza di attrazione?

Il calcolo della forza di attrazione o repulsione tra due magneti è, in generale, un'operazione estremamente complessa. Infatti dipende dalla forma, dal grado di magnetizzazione, dall'orientamento e dalla distanza dei due magneti.

Per forza di attrazione si intende la forza necessaria da applicare perpendicolarmente al magnete per staccarlo da una superficie di ferro dolce quando questo si trova a contatto. Se la forza viene applicata nella direzione parallela alla superficie di contatto, il valore indicato si riduce notevolmente ed è inoltre condizionato dalla forza di attrito che si esercita tra la superficie del magnete e quello della piastra di metallo.

Qual è la differenza tra la combinazione magnete-ferro e magnete-magnete?

Magneti e ferro si attraggono reciprocamente, ma non si respingono fra loro.

In caso di contatto diretto l'attrazione tra magnete e ferro è pari all'attrazione tra due magneti uguali. All'aumentare della distanza, però, l'attrazione tra magnete e ferro diminuisce molto più rapidamente dell'attrazione tra due magneti. Ciò dipende dalla più bassa rimanenza del ferro.

Che cosa è la forza coercitiva (Hc)?

Per forza coercitiva Hc si intende l'intensità di campo necessaria a smagnetizzare completamente un magnete. Più questo valore è alto, più un magnete sarà in grado di mantenere la sua magnetizzazione se viene esposto a un campo magnetico di segno opposto.

Si fa distinzione tra forza coercitiva bHc con riferimento alla densità di flusso magnetico e forza coercitiva jHc con riferimento alla polarizzazione. Se un magnete viene esposto a un'intensità di campo smagnetizzante pari a bHc, la sua densità di flusso magnetico scompare. Il magnete in sé non ha perso la sua magnetizzazione, ma la densità di flusso magnetico da lui prodotta è uguale e opposta alla densità di flusso magnetico prodotta dal campo smagnetizzante, così che esse si neutralizzano a vicenda. Solo con un'intensità di campo smagnetizzante pari a jHc, il magnete perderà la sua polarizzazione magnetica e perderà così completamente la sua magnetizzazione.

Come unità di misura per l'intensità di campo magnetico si usa l'A/m (Ampere su metro). A volte però si parla ancora di Oe (Oersted), la vecchia unità di misura del CGS.

Qual è la differenza tra "ferromagnetico" e "magnetico"?

Questi due termini vengono spesso utilizzati come sinonimi in modo non corretto. Un oggetto è considerato ferromagnetico se un magnete vi resta attaccato. Ad esempio, se un magnete aderisce a uno scaffale in acciaio, si dice che lo scaffale è ferromagnetico. Colloquialmente, invece, si parla di superficie magnetica.

È corretto dire che un oggetto è magnetico solo se si comporta come un magnete.

Quali materiali ferromagnetici esistono? Cosa attira un magnete?

I magneti attirano solamente determinati materiali. I tre materiali ferromagnetici più conosciuti sono:

• il ferro (Fe)
• il cobalto (Co)
• il nichel (Ni)

Anche alcuni metalli delle terre rare sono ferromagnetici, ma solo a temperature molto basse. A temperatura ambiente sono solo paramagnetici. Ciò significa che i magneti li attirano solo leggermente. Si tratta dei seguenti metalli:

• il disprosio (Dy)
• l'erbio (Er)
• il gadolinio (Gd)
• l'olmio (Ho)
• il terbio (Tb)

Che cosa significa prodotto massimo di energia?

Il prodotto massimo di energia misura l'energia magnetica massima che può essere immagazzinata in un magnete. Si tratta del prodotto massimo che si può ottenere per un determinato materiale moltiplicando la densità di flusso magnetico B per l'intensità del campo magnetico H. Come unità di misura si usa il kJ/m³ (Kilojoule su metro cubico) oppure il MGOe (Mega-Gauss-Oersted).

In poche parole, il prodotto massimo di energia è un indicatore della forza di un magnete. Si può ottenere dunque lo stesso risultato utilizzando un piccolo magnete con un elevato prodotto di energia, oppure un grande magnete con un basso prodotto di energia.

Che cosa significa rimanenza (Br)?

La rimanenza Br misura l'induzione magnetica o la densità di flusso magnetico che rimane in un magnete dopo che questo è stato magnetizzato. Ciò vuol dire che più è elevato questo valore, più il magnete è potente.

Come unità di misura per l'induzione magnetica o la densità di flusso magnetico si usa il Tesla (T).

Nel sistema CGS veniva usato il Gauss (G), e la relazione è: 1 Tesla = 10 000 Gauss.

Qual è la differenza tra un magnete anisotropo e isotropo?

I magneti anisotropi si ottengono se alcune fasi del processo produttivo (come le operazioni di pressatura, iniezione o estrusione) sono effettuate in presenza di un campo magnetico, Quindi i domini sono orientati in una stessa direzione preferenziale.

Se invece la produzione avviene senza campo magnetico i domini non hanno un orientamento preferenziale e si ottengono dunque dei magneti Isotropi.

Con la successiva operazione di magnetizzazione i magneti Anisotropi mostrano caratteristiche magnetiche superiori rispetto ai magneti Isotropi.

Si può tagliare o forare un magnete?

Esistono dei magneti flessibili con componente plastico che possono essere facilmente tagliati o forati. Questi in genere sono disponibili commercialmente in fogli o profili.

I magneti sinterizzati, invece, come le Terre rare e le Ferriti, richiedono tecniche e attrezzature speciali pertanto è un'operazione gestibile solo da personale specializzato con adeguate competenze.

Tipologie di magneti

Magneti in Neodimio (Nd)

Offrono la massima forza magnetica tra i materiali attualmente disponibili. Consentono di ottenere forze elevate da un volume ridotto. Uno degli svantaggi è la tendenza a ossidarsi facilmente. Detti "Magneti in terre rare" insieme ai magneti in cobalto.

Fonte immagine: first4magnets

Magneti in Alnico (Al-Ni-Co)

Proprietà superiori di resistenza alle temperature e resistenza meccanica. Svantaggio: soggetti a smagnetizzarsi facilmente.

Fonte immagine: first4magnets

Magneti in Ferrite (Fe)

Questo materiale presenta una bassa forza magnetica, ma una forza coercitiva relativamente elevata, risente quindi poco di fenomeni di smagnetizzazione. La resistenza meccanica è bassa e il materiale è fragile, dunque richiede cautela nella manipolazione.

Fonte immagine: first4magnets

Magneti in Samario-Cobalto (Sm-Co)

Il nome completo è magneti in samario-cobalto e rappresentano il secondo gruppo, per forza, dopo i magneti in neodimio-ferro-boro. Vantaggi sono la resistenza all'ossidazione e alle temperature elevate. Sono però fragili e hanno resistenza meccanica ridotta, dunque richiedono cautela nella manipolazione.

Fonte immagine: first4magnets

I seguenti dettagli forniscono una semplice panoramica dei quattro materiali magnetici principali:

Fonte immagine: first4magnets

Gomma magnetica

Oltre ai materiali sopra elencati vengono prodotti anche materiali gommosi magnetici. I magneti flessibili contengono particelle magnetiche imprigionate all'interno di un legante polimerico flessibile. I magneti flessibili sono utilizzati per applicazioni uniche che non sarebbero possibili con altri magneti "duri".

In genere, i magneti flessibili hanno un prodotto energetico massimo compreso tra 0,6MGOe e 1,6MGOe.

Dunque la loro potenza magnetica per cm2 è piccola, ma se sono utilizzati su un'ampia area di contatto, possono generare una forza considerevole.

Esistono due diverse categorie di magneti flessibili: i fogli magnetici e i profili magnetici estrusi. 

La gomma magnetica può essere tagliata con le forbici e può essere fornita con un supporto adesivo, un rivestimento in vinile dai colori brillanti e può essere facilmente tagliata in forme speciali utilizzando taglierine.

Avvertenze

• Dato che questi materiali sono molto fragili, non è possibile effettuare lavorazioni di modifica, come tagli o fori.
• I magneti sono molto sensibili agli impatti. Prestare attenzione durante l'installazione.
• I campi magnetici possono provocare effetti negativi su: Dispositivi elettronici come telefoni cellulari, PC e orologi - Dispositivi elettronici medici come i pacemaker
• La forza magnetica può indebolirsi se il componente viene utilizzato a temperature superiori a quella di esercizio massima.
• Un forte urto o una modifica al magnete possono comprometterne la forza.
• Per evitare impatti diretti sul magnete, rispettare una distanza di 0.1~0.3mm dal corpo

Hai bisogno di altre informazioni?

Hai altre domande sui magneti e sulle definizioni relative?

Contattaci e ti forniremo le indicazioni necessarie.