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Permeabilità magnetica

Che cosa è la permeabilità magnetica?

La costante di permeabilità magnetica nel vuoto è una costante fondamentale in fisica del Sistema Internazionale e rientra nel calcolo dell’intensità di campo magnetico di diverse disposizioni di correnti.

Essa si indica con la lettera greca μ (“mu”) e nel vuoto essa assume questo valore:

Permeabilità magnetica nel vuoto

La costante di permeabilità magnetica μ è invece pari al prodotto di una costante tipica di ogni materiale ed espressa dalla permeabilità magnetica relativa μr per la permeabilità magnetica nel vuoto:

μ = μr ∙ μ0

La permeabilità magnetica rappresenta l’attitudine di un corpo a magnetizzarsi se soggetto ad un campo magnetico esterno. In particolare la permeabilità magnetica relativa è un numero puro (senza unità di misura) che può risultare di poco inferiore a 1, di poco superiore a 1 o molto superiore a 1. A seconda dei tre casi si distinguono rispettivamente i materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici.

Proprietà magnetiche dei materiali

Ogni atomo che compone la materia è caratterizzato da un nucleo atomico positivo attorno al quale orbitano gli elettroni, le cariche negative. Questo sistema rappresenta una piccola spira percorsa da corrente in cui la corrente è formata proprio dal movimento degli elettroni attorno al nucleo.

Ogni spira genera dunque un microcampo magnetico orientato casualmente nello spazio con la determinazione dei due poli proprio come una vera e propria spira macroscopica, quindi determina un dipolo magnetico.

Ora, a seconda di come si orientano questi microscopici dipoli magnetici quando sono soggetti a un campo magnetico esterno possiamo distinguere le sostanze in tre grandi categorie: materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici.

Quando si applica un campo magnetico esterno di intensità B0 ad un certo materiale si ottiene al suo interno un campo magnetico totale di intensità B pari a:

B = μr ∙ B0

Sostanze ferromagnetiche

Tra le sostanze ferromagnetiche più importanti vi sono il nichel, il ferro e il cobalto. In essi sono presenti i dipoli magnetici come detto prima ma con una importante proprietà in quanto essi si orientano facilmente se soggetti ad un campo esterno.

Dunque i dipoli mantengono facilmente memoria delle direzioni delle linee di campo da cui vengono attraversati  e sono per così dire già pre-orientati quando vengono attraversati da un particolare campo esterno di cui vogliamo studiare gli effetti quando attraversa il materiale. Il risultato è che basta applicare anche un campo magnetico di intensità molto bassa al materiale ferromagnetico per ottenere facilmente l’orientamento di tutti i dipoli secondo la direzione del campo ed ottenere un’amplificazione notevole dell’intensità del campo applicato.

I materiali ferromagnetici sono caratterizzati da una permeabilità magnetica relativa compresa da 103 e 105 e quindi rispondono in maniera molto intensa ai campi magnetici esterni.

Sostanze diamagnetiche

Tra le sostanze diamagnetiche più comuni vi sono l’argento, il vetro e il rame.
In condizioni normali, al loro interno non è presente alcun campo magnetico in quanto tutti i microcampi generati dagli atomi si compensano tra di loro.

Tuttavia quando vengono attraversati da un campo magnetico esterno gli atomi vengono perturbati e i dipoli magnetici si orientano in maniera opposta alla direzione del campo esterno con conseguente opposizione ad esso.

Il risultato è che il campo esterno risulta leggermente indebolito in quanto tali materiali si oppongono ai campi magnetici esterni risultando globalmente debolmente respinte da un magnete; i materiali diamagnetici sono caratterizzati da una permeabilità magnetica relativa di poco inferiore a 1.

Sostanze paramagnetiche

Tra le sostanze paramagnetiche più comuni vi sono l’alluminio, il platino e il cromo.

Come per le sostanze diamagnetiche anche per quelle paramagnetiche in condizioni normali al loro interno non è presente alcun campo magnetico in quanto tutti i microcampi generati dagli atomi si compensano tra di loro.

Tuttavia quando vengono attraversati da un campo magnetico esterno gli atomi vengono perturbati e i dipoli magnetici si orientano questa volta nella stessa direzione del campo magnetico esterno con conseguente rafforzamento di esso. Il risultato è che il campo esterno risulta leggermente più intensificato risultando globalmente debolmente attratte da un magnete.

I materiali paramagnetici sono caratterizzati da una permeabilità magnetica relativa di poco superiore a 1.

Esercizio: calcolo della permeabilità magnetica relativa di una sostanza

Il campo magnetico generato da un solenoide in cui è inizialmente presente il vuoto al suo interno è pari a 3,0∙10-4 T. Inserendo all’interno della bobina un nucleo ferromagnetico il campo magnetico viene amplificato fino a 1,2 T.

Quanto vale la permeabilità magnetica relativa della sostanza?

Svolgimento dell'esercizio

Quando si applica un campo magnetico esterno di intensità B0 ad un certo materiale si ottiene al suo interno un campo magnetico totale di intensità B pari a:

B = μr ∙ B0

in cui μr è la permeabilità magnetica relativa del materiale ed è un numero puro, cioè espresso senza unità di misura. Essa infatti è il rapporto tra le intensità dei due campi magnetici rilevati con la presenza del materiale ferromagnetico e senza:

Calcolo della permeabilità magnetica di una sostanza

Pertanto la permeabilità magnetica relativa della sostanza vale 4000.

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