Ciclo di isteresi

 

Prima di parlare del ciclo di isteresi dobbiamo ricordare che, dal punto di vista del magnetismo, i materiali vengono suddivisi in tre categorie  diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici.

I ferromagnetici presentano un valore molto elevato della permeabilità magnetica relativa μ_r .

Il comportamento dei diversi corpi, nei confronti di un campo magnetico esterno, è caratterizzato dal valore di μ_{r .} E’ il numero per cui dobbiamo moltiplicare μ_o (permeabilità del vuoto) per tenere conto del contributo delle correnti atomiche.

In realtà, questi valori così elevati di μ_r (10³ ÷ 10⁵ ) si hanno fino a che il materiale si trova al di sotto della temperatura di Curie che, ad esempio, per il ferro è di circa 770 ^oC. Al di sopra di questa temperatura, il materiale ferromagnetico si comporta come un diamagnetico, μ_r  tende ad assumere valori prossimi all’unità.

Abbiamo studiato anche l’induzione nei materiali ferromagnetici, facendo il caso di un solenoide e introdotto il vettore campo magnetico H

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N è il numero delle spire, I la corrente che scorre nel solenoide, quella impressa dall’esterno e L è la lunghezza del solenoide.

 

H dipende dalla corrente impressa dall’esterno. B tiene conto della magnetizzazione del materiale.

 

Vogliamo graficare la dipendenza di B da H. Lo facciamo per tutti e tre i tipi di materiale.

 

Il solenoide è avvolto nel vuoto

 

 

In assenza di materiale, la dipendenza di B da H è di tipo lineare.

Il grafico è una retta del tipo y = m x

 

 

 

In presenza di materiale diamagnetico

 

 

 

Se è presente un materiale di tipo diamagnetico, la dipendenza è ancora lineare, ma essendo μ_r ≅ 1 e < 1 la retta risulta un pò meno inclinata.

 

 

 

Nucleo ferromagnetico

 

Passiamo a quello che effettivamente ci interessa, ossia quando è presente un materiale di tipo ferromagnetico. Questa volta μ_r non è costante, esso dipende sia dal campo magnetico H che dalla storia del materiale, ossia se ha già subito o meno magnetizzazioni.

 

Partiamo da un materiale completamente smagnetizzato, nel quale H = 0 e B = 0.

 

Tranne il primo piccolo tratto iniziale, di cui parleremo dopo, B cresce molto rapidamente all’aumentare di H, fino ad arrivare ad un andamento di tipo lineare. Questo ultimo tratto rappresenta la saturazione del materiale.

 

 

 

Questo andamento rispecchia ciò che avviene nel materiale, ossia il processo di orientamento dei domini magnetici dovuto alla presenza del campo H.

Quando il valore di H diventa sufficientemente elevato da orientare tutte le correnti interne al materiale, il loro contributo all’induzione B non può aumentare ulteriormente. Si è così giunti allo stato di saturazione. Tutti i momenti magnetici sono allineati con il campo magnetico esterno.

Da qui in poi, B ha lo stesso andamento del caso del vuoto e la curva diventa una retta.

 

E’ possibile ottenere i valori della permeabilità relativa in ogni punto della curva. Basta congiungere tale punto con l’origine.

 

 

Riportiamo anche l’andamento della permeabilità magnetica in funzione di B.

 

 

 

Abbiamo notato che la curva si stacca dall’origine con un breve tratto che non è ripido. I bassi valori di μ_r  all’inizio della magnetizzazione sono dovuti all’inerzia che il campo magnetizzante deve vincere prima che abbia inizio il processo di orientamento.

Ribadiamo che questa curva corrisponde ad una prima magnetizzazione del materiale, quindi per un nucleo mai magnetizzato prima o che non conservi tracce di magnetizzazioni precedenti.

 

Una volta raggiunta la saturazione, se diminuiamo il campo magnetico H (diminuendo la corrente), la magnetizzazione diminuisce, ma non seguendo la curva di prima. 

In particolare, in corrispondenza di H = 0, l’induzione B non è nulla.

 

 

Quando il campo magnetico H si annulla, B assume il valore B_r , induzione residua. Questo valore è dovuto al magnetismo residuo all’interno del materiale.

Per ridurre B a zero, quindi per smagnetizzare il materiale, occorre applicare un campo -H_c , campo coercitivo, invertendo il verso della corrente.

 

• Anche dopo che è stato annullato il campo il materiale rimane magnetizzato, l’induzione conserva il valore B_r . Questo è lo stato fisico dei magneti permanenti.
• Per annullare l’induzione residua occorre applicare un campo H_c  

 

Arrivati al valore -H_c , se continuiamo ad aumentare il campo H, in valore negativo, le correnti atomiche si orientano nella nuova direzione del campo e il materiale si magnetizza in verso opposto al precedente.

L’induzione magnetica si inverte fino a raggiungere un nuovo stato di saturazione.

Riportando H al valore H = 0 si ha una nuova magnetizzazione residua -B_r che, per essere annullata, necessita di un nuovo valore di campo coercitivo.

Continuando ad aumentare H si va verso lo stato di saturazione iniziale.

 

 Questa curva rappresenta il ciclo di isteresi.

Essa è dovuta al fatto che le proprietà magnetiche di un materiale ferromagnetico dipendono dagli stati di magnetizzazione precedenti.

 

 

 

Questi fenomeni nascono dall’inerzia delle molecole che tendono a permanere nello stato in cui si trovano. Esse si muovono con un certo ritardo rispetto ai cambiamenti del campo magnetico H, da qui il nome di ciclo di isteresi (isteresi = ritardo).

 

Ogni materiale ha un suo ciclo di isteresi, più alto, più stretto, più o meno pendente.

Comunque sia, l’area racchiusa dal ciclo fornisce una misura del lavoro speso per magnetizzare il nucleo di materiale ferromagnetico. (Argomento che affronteremo).