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Ciclo di isteresi

Che cos'è il ciclo di isteresi?

Si dicono ferromagnetici quei materiali caratterizzati da permeabilità magnetica relativa μR molto elevati dell’ordine di 103-105  tra i quali ricordiamo il nichel, il ferro ed il cobalto.

Ricordando il legame tra permeabilità magnetica relativa μR e la suscettività magnetica xm:

Permeabilità magnetica relativa

possiamo affermare che anche xm così come μR assume valori molto elevati e positivi compresi tra 103 / 105 dipendente però dalla temperatura fino ad un certo valore limite, soglia detta temperatura di Curie al di sopra della quale il materiale perde le proprietà ferromagnetiche e si comporta come un materiale paramagnetico.

L’induzione magnetica B all’interno di un materiale si può riscrivere in funzione del campo magnetico esterno H come:

induzione magnetica B

I materiali ferromagnetici quindi sono capaci di amplificare di migliaia di volte un campo magnetico esterno a cui essi sono sottoposti.

Grafico H-B e ciclo d’isteresi

Ci proponiamo adesso di costruire un grafico H-B di un materiale ferromagnetico ponendo sull’asse delle ascisse il valore dell’induzione magnetica B e sull’asse delle y il valore del campo magnetico esterno H applicato al materiale.

Il grafico induzione magnetica – campo magnetico esterno per i materiali ferromagnetici ha un andamento non lineare poiché xm non è costante ma è una funzione dell’intensità del campo magnetico esterno H (in grassetto le grandezze vettoriali).

All’aumentare del campo esterno H si ottiene inizialmente una rapida magnetizzazione del materiale con un aumento brusco del valore di induzione magnetica B che si assesta ad un certo valore limite oltre al quale il campo d’induzione magnetica non può andare nonostante si aumenti il campo magnetico esterno: questa fase è detta curva di prima magnetizzazione e il punto di massimo è detto valore limite di saturazione e corrisponde ad un valore del campo esterno che chiamiamo H1.

Una volta raggiunto il valore limite di saturazione, diminuendo il campo esterno H e riducendolo a zero si nota una magnetizzazione residua del materiale per cui il valore di B corrispondente ad H=0 è pari al valore di induzione residua BR (intersezione della curva con l’asse delle ordinate). La curva cioè non torna indietro ripercorrendo la stessa curva di salita ma permane nel materiale uno stato di magnetizzazione.

Cambiando il verso del campo esterno applicato portandolo cioè a valori negativi la curva ha un andamento decrescente fino ad annullare il valore di B (intersezione con l’asse delle ascisse) per valori negativi di H pari a -HC detto valore di campo coercitivo condizione nella quale il materiale perde la condizione di magnete permanente.

Aumentando ulteriormente il valore negativo H, la curva presenta un andamento simmetrico rispetto agli assi all’andamento per valori positivi e crescente di H e raggiungerà lo stesso valore di saturazione uguale ma opposto nel primo quadrante durante la fase di prima magnetizzazione per un valore pari a -H1.

Da qui in poi se si fa aumentare il campo magnetico esterno H la curva ritornerà, tramite una linea chiusa percorrendo dunque un ciclo, al valore limite di saturazione della prima magnetizzazione. Il materiale cioè si magnetizzerà nel verso opposto al caso precedente.

Grafico induzione magnetica - campo magnetico esterno per i materiali ferromagnetici

Se si continua a far variare il campo esterno tra i valori di H1 e -H1 si ottiene il cosiddetto ciclo di isteresi magnetica per cui il valore dell’induzione magnetica segue questa stessa linea chiusa all’infinito.

Ogni materiale ferromagnetico è caratterizzato da un proprio ciclo di isteresi magnetica. L’area racchiusa dal grafico ha il significato fisico di un lavoro, cioè l’energia spesa per magnetizzare il campione di materiale ferromagnetico. Durante questo ciclo il materiale infatti si riscalda per cui il lavoro si trasforma in energia termica.

Magneti permanenti e temporanei

A seconda del valore che assume Br e -Br cioè a seconda del valore di induzione residua del materiale ferromagnetico si distinguono magneti permanenti e temporanei.

Le comuni calamite sono realizzate attraverso cicli di isteresi e la loro magnetizzazione residua è talmente elevata che per smagnetizzarli occorrerebbe sottoporli a un forte campo smagnetizzante: è questo il caso dei magneti permanenti.

Nei magneti temporanei invece la magnetizzazione residua è talmente debole che può essere agevolmente eliminata con l’applicazione di un debole campo esterno.

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