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Temperatura di Curie

Che cos'è la temperatura di Curie?

Si definisce costante di permeabilità magnetica μ il prodotto tra una costante tipica di ogni materiale espressa dalla permeabilità magnetica relativa μr (numero puro) e la costante di permeabilità magnetica nel vuoto μ0:

μ = μr ∙ μ0

con

Permeabilità magnetica nel vuoto

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.

I materiali ferromagnetici

In qualsiasi materiale capace di magnetizzarsi la causa dell’origine di tale campo magnetico è da ricercarsi nel movimento degli elettroni attorno ai nuclei positivi degli atomi che si comportano come delle microscopiche spire percorse da corrente, dotate di polo nord e sud dette dipoli magnetici. Per cui ogni atomo che compone la materia è associabile ad un proprio dipolo magnetico.

Quando un dipolo magnetico è immerso in un campo magnetico esterno esso si orienta come le linee di forza del campo stesso.

Esistono tre diverse categorie di materiali magnetici a seconda di come si comportano i dipoli magnetici in presenza di un campo esterno: i materiali diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici.

Nei materiali ferromagnetici (come il ferro, il cobalto ed il nichel) in particolare gli atomi possiedono un dipolo magnetico proprio e sono organizzati su piccole regioni dette domini di Weiss in cui la direzione della magnetizzazione è uniforme.

Dunque pur essendo complessivamente orientati in maniera casuale i dipoli i materiali ferromagnetici presentano una struttura più ordinata a livello microscopico rispetto ai materiali diamagnetici e paramagnetici per cui basta anche un campo magnetico esterno poco intenso per far sì che tutti i dipoli magnetici si orientino nello stesso modo col risultato che queste sostante sono fortemente attratte dai campi magnetici esterni. Il campo magnetico complessivo risulta allora molto amplificato rispetto all’intensità del campo esterno.

Suscettività magnetica nei materiali ferromagnetici

Il vettore magnetizzazione M (in grassetto le grandezze vettoriali) all’interno di un materiale si definisce come il rapporto tra il momento magnetico di dipolo medio presente tra gli atomi del materiale rispetto al volume del materiale stesso:

Vettore magnetizzazione

Il vettore magnetizzazione risulta proporzionale al campo magnetico esterno a cui si espone il materiale che chiamiamo H secondo una costante di proporzionalità adimensionale chiamata suscettività magnetica e che si indica con la lettera Χm:

formula vettore magnetizzazione

Il campo magnetico complessivo detto induzione magnetica sarà dunque dato dalla somma del vettore magnetizzazione più il vettore campo magnetico esterno moltiplicati per la permeabilità magnetica nel vuoto:

Induzione magnetica

Il contributo del vettore magnetizzazione sarà positivo per i materiali paramagnetici e ferromagnetici mentre sarà negativo per quelli diamagnetici.
Sostituendo al vettore magnetizzazione la sua espressione:

La costante 1 + xm prende il nome di permeabilità magnetica relativa μR ed è un parametro proprio dei materiali:

Permeabilità magnetica relativa

Per cui l’induzione magnetica B si può riscrivere come:

induzione magnetica B

Nei materiali ferromagnetici la suscettività magnetica xm assume valori molto elevati e positivi compresi tra 103 / 105 dipendente dalla temperatura fino a un valore limite della temperatura detta temperatura di Curie al di sopra della quale il materiale perde le proprietà ferromagnetiche e si comporta come un materiale paramagnetico. Inoltre xm non è costante ma è una funzione dell’intensità del campo magnetico esterno H.

La permeabilità magnetica relativa assumerà invece un valore molto superiore a 1 essendo pari a 1 + xm = μr >> 1.

Temperatura critica di Curie

I materiali ferromagnetici sono caratterizzati da un’importante proprietà quella per la quale quando essi vengono portati oltre una certa temperatura critica perdono le proprietà ferromagnetiche che li caratterizzavano comportandosi come materiali paramagnetici: tale temperatura critica è detta Temperatura di Curie ed indicata con TC.

In particolare la suscettività magnetica dei materiali ferromagnetici riscaldati oltre la propria temperatura di Curie risulterà pari a:

Suscettività magnetica dei materiali ferromagnetici riscaldati oltre la propria temperatura di Curie

in cui:

  • C è la costante di Curie;
  • ρ è la densità della sostanza;
  • T la temperatura espressa in gradi Kelvin;
  • TC la temperatura critica del materiale.

Per il ferro la temperatura critica vale 1041 K corrispondenti cioè a 768°C.
Ciò accade perché oltre una certa temperatura l’energia vibrazionale degli atomi è tale da vincere la struttura ordinata dei domini magnetici di Weiss e quindi il materiale perde la sua proprietà ferromagnetica ad esempio di attaccarsi ad un magnete.

La temperatura di Curie per i principali materiali ferromagnetici è espressa dalla seguente tabella:

Temperatura di Curie per i principali materiali ferromagnetici

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