Rimanenza

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Che cos'è la rimanenza?

La rimanenza o densità di flusso di remanenza in un materiale ferromagnetico (ad esempio, il ferro) è espressa dalle forze magnetiche misurabili che rimangono dopo che il materiale è stato temporaneamente esposto a un campo magnetico e magnetizzato. Il valore numerico della rimanenza indica quanto è forte la magnetizzazione. La rimanenza massima è un valore specifico del materiale che può essere determinato dalla curva di isteresi.

Indice

La rimanenza è la magnetizzazione che rimane dopo che il campo magnetico esterno è stato spento in un materiale ferromagnetico. Si parla anche di densità di flusso di rimanenza.

Se un corpo è esposto a un campo magnetico esterno, si verifica una magnetizzazione. Il campo magnetico creato dalla magnetizzazione stessa è particolarmente forte nei materiali ferromagnetici e viene allineato al campo magnetico esterno.

Rimanenza nei materiali ferromagnetici

A temperatura ambiente, solo gli elementi ferro, nichel e cobalto sono ferromagnetici. Esistono anche leghe e composti ferromagnetici, nonché elementi che diventano ferromagnetici a basse temperature.

I materiali ferromagnetici, invece, mostrano una forte rimanenza quando il campo magnetico esterno viene spento.

La rimanenza può essere osservata nella vita quotidiana quando un oggetto ferroso, come un paio di forbici, viene esposto a un forte campo magnetico. Si osserva allora che le forbici possono attrarre, ad esempio, spilli ferrosi, anche se il magnete è già stato rimosso dalle forbici.

Spiegazione fisica della rimanenza

Per spiegare la rimanenza, si può immaginare che ogni sostanza sia costituita da atomi con nuclei atomici ed elettroni. Gli elettroni hanno il cosiddetto "spin", che ha proprietà magnetiche.

La fisica della rimanenza ha a che fare con lo spin degli elettroni. Gli spin degli elettroni si comportano come piccoli magneti elementari. Non sono allineati uniformemente senza un campo magnetico esterno e sono anche in costante movimento. Questo movimento aumenta alle alte temperature. Se immaginiamo gli spin degli elettroni come magneti a barra, i poli di questi piccoli magneti a barra puntano in direzioni diverse e in continuo cambiamento. Il corpo nel suo complesso non è quindi magnetico.

Quando un corpo ferromagnetico viene magnetizzato in un campo magnetico esterno, i magneti elementari sono tutti allineati parallelamente. Il polo nord di tutti i magneti microscopici punta in una direzione e il polo sud punta nell'altra direzione.

Se la temperatura non è troppo elevata, gli spin degli elettroni in un ferromagnete rimangono allineati anche quando il campo magnetico esterno viene rimosso. Ciò è dovuto all'interazione reciproca degli spin degli elettroni, la cosiddetta interazione di scambio, che è particolarmente forte nei ferromagneti. Ogni magnete elementare è stabilizzato nel suo allineamento. Il corpo nel suo insieme rimane quindi fortemente magnetico. Questa magnetizzazione permanente è la rimanenza.

A parità di campo magnetico esterno, nei materiali magneticamente duri permane una rimanenza maggiore rispetto a quelli magneticamente morbidi.

La rimanenza scompare se il corpo magnetizzato viene fortemente riscaldato o scosso, perché questo cambia nuovamente l'allineamento degli spin degli elettroni. Anche un campo magnetico a polarità opposta può far scomparire la rimanenza. Ciò richiede un'intensità di campo magnetico molto specifica, il cosiddetto campo coercitivo, in modo che da un lato si verifichi una smagnetizzazione completa, ma dall'altro non si accumuli una rimanenza polarizzata in modo opposto.

L'effetto per cui la magnetizzazione dei corpi ferromagnetici non segue la variazione del campo magnetico esterno in modo strettamente proporzionale, cioè in particolare la rimanenza permane quando il campo magnetico esterno viene spento, è anche definito isteresi.

La forza della rimanenza è indicata dalla cosiddetta densità di flusso magnetico misurata in unità di misura Tesla o Gauss. Si applica la seguente conversione 1 T = 1 Tesla = 10 000 Gauss = 10 kG.

Curva di isteresi per un materiale magneticamente morbido (a sinistra) e per un materiale magneticamente duro (a destra). Per il materiale non ancora magnetizzato, la "nuova curva" rossa mostra l'andamento della magnetizzazione rispetto al campo esterno. La rispettiva curva si applica all'andamento indicato dalle frecce.

I punti tipici della curva di isteresi sono il campo coercitivo H_c, necessario per compensare la rimanenza del materiale dovuta al campo esterno, e la stessa rimanenza B_R, che descrive la densità di flusso magnetico rimanente quando il campo magnetico esterno scompare. Infine, vi è la densità di flusso di saturazione B_S, alla quale tutti gli spin degli elettroni sono allineati.

In ogni magnete è immagazzinata una certa quantità di energia dovuta all'allineamento degli spin degli elettroni, indicata dal prodotto di energia. L'allineamento degli spin degli elettroni si distrugge alle alte temperature. L'energia magnetica immagazzinata (quantità del prodotto di energia come numero) e la temperatura massima di funzionamento (indicata da una combinazione di lettere, ad esempio "N" per 80 °C) determinano la qualità del magnete. Un magnete di alta qualità ha anche un'elevata rimanenza e quindi forti forze magnetiche.

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.

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