Permeabilità

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Che cos'è la permeabilità magnetica?

La permeabilità magnetica (latino permeare = far passare) si riferisce alla permeabilità della materia alla densità di flusso magnetico. I materiali ad alta permeabilità sono magnetizzati essi stessi e quindi aumentano la densità di flusso. La loro resistenza magnetica è molto bassa. Si tratta principalmente di materiali ferromagnetici come il ferro. La permeabilità stabilisce la relazione tra densità di flusso magnetico e campo magnetico.

Indice

Nozioni di base

La permeabilità (latino permeare = far passare) si riferisce generalmente alla permeabilità della materia. Di conseguenza, la permeabilità magnetica μ si riferisce alla permeabilità della materia al flusso magnetico.

La misura di un campo magnetico H può essere espressa utilizzando la densità di flusso magnetico B e la permeabilità magnetica μ.

In generale:

\(H=\frac{1}{\mu}B\).

La permittività magnetica viene scalata tramite una costante naturale, la cosiddetta costante di campo magnetico \(\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}Vs/Am\). La permeabilità magnetica può quindi essere definita per ciascun materiale utilizzando una permeabilità magnetica relativa (nota anche come numero di permeabilità) μ_r e la costante di campo magnetico μ₀ attraverso la relazione μ=μ_r•μ₀.

Per definizione, μ_r = 1 e quindi per il vuoto vale:

\(H_0=\frac{1}{\mu_0}B_0\).

La densità di flusso magnetico nel vuoto (B₀) può essere divisa per la costante di campo magnetico μ₀ per ottenere il corrispondente campo magnetico nel vuoto (H₀). Quindi, nel vuoto, una densità di flusso magnetico di B₀ = 1 Tesla ( 1 Vs/m²) corrisponde a un campo magnetico di \(H_0=\frac{10^7}{4\pi} A/m\).

La materia influenza i campi magnetici in modo tale da formare una densità di flusso magnetico nella materia sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, che dipende dalla permeabilità magnetica μ del materiale. La densità di flusso magnetico nella materia è particolarmente elevata quando la permeabilità magnetica μ è particolarmente alta.

Il numero di permeabilità μ_r può essere definito dalla densità di flusso del vuoto B₀ mediante la relazione B=μ_r•B₀. B corrisponde alla densità di flusso magnetico, che è determinata dall'influenza della materia.

Con la definizione B=μ_r•B₀, ne consegue che la materia rafforza i campi magnetici se μ_r è maggiore di 1 e li indebolisce se μ_r è inferiore a 1. Entrambi i casi sono noti.

Permeabilità dei materiali ferromagnetici

I materiali ferromagnetici hanno microscopici spin di elettroni che si allineano in un campo magnetico esterno. Ciò determina un campo magnetico aggiuntivo nello spazio esterno, causato dai momenti magnetici allineati degli spin degli elettroni. Questo campo magnetico può essere di molti ordini di grandezza più forte del campo magnetico esterno che ha allineato gli spin degli elettroni.

Una volta che gli spin degli elettroni sono allineati, l'allineamento nei ferromagneti è stabilizzato dalla cosiddetta interazione di scambio. Di conseguenza, μ_r diventa molto grande e in speciali materiali ferromagnetici (i cosiddetti metalli amorfi) arriva fino a μ_r = 150 000. Il ferro ha una permeabilità di circa μ_r = 10 000.

A rigore, in letteratura questi valori interi sono sempre valori della permeabilità relativa o del numero di permeabilità μ_r. In letteratura si usa spesso il termine μ per semplificare le cose. Tuttavia, ciò che si intende in realtà è μ_r.

Permeabilità dei materiali paramagnetici

Esistono anche paramagneti, che contengono anche spin di elettroni che possono essere allineati. Tuttavia, questo allineamento non è stabilizzato nei paramagneti. Di conseguenza, i paramagneti sono solo leggeri amplificatori di campo magnetico. Il μ_r in questo caso è dell'ordine di 1,00001.

Permeabilità dei materiali diamagnetici

Infine, ci sono i diamagneti. Questi indeboliscono il campo magnetico esterno perché all'interno non ci sono spin permanenti di elettroni risultanti che potrebbero essere allineati nel campo magnetico esterno. Invece, quando un campo magnetico esterno penetra, viene indotta una corrente che, secondo la legge di Lenz, è diretta nella direzione opposta alla sua causa e quindi indebolisce il campo magnetico esterno. Il diamagnetismo si verifica generalmente nella materia, ma il diamagnetismo nei para/ferromagneti è sovrapposto dai magneti elementari allineati.

Caso speciale dei superconduttori

I superconduttori sono un caso particolare. Infatti, i superconduttori hanno un indice di permeabilità pari a zero. Ciò significa che la densità del flusso magnetico nel superconduttore scompare. I superconduttori non hanno quindi alcuna permeabilità al flusso magnetico. Le linee di campo si allontanano completamente dal superconduttore e gli girano intorno.

I superconduttori sono quindi noti anche come diamagneti perfetti.

Permeabilità magnetica di superconduttori e paramagneti

La figura mostra il percorso delle linee di campo attraverso un materiale paramagnetico o ferromagnetico (μ_r>1) (a sinistra) e intorno a un superconduttore (a destra). Un superconduttore ha una permeabilità di μ_r=0. Nessuna linea di campo magnetico può penetrare nel superconduttore. Il campo magnetico viene invece spostato dal superconduttore.

Il materiale ferromagnetico, invece, ha una permeabilità al flusso magnetico superiore a quella del vuoto o dell'aria. Le linee di campo si condensano quindi nel materiale.

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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