Magnete permanente

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Che cos'è un magnete permanente?

I magneti permanenti sono materiali che presentano forze magnetiche costanti. Possono attrarre materiali ferromagnetici (ad esempio il ferro) o respingersi a vicenda in corrispondenza dei poli omonimi (tra polo nord e polo nord, tra polo sud e polo sud). Un magnete permanente può essere smagnetizzato dal calore, da forti urti meccanici o da forti campi magnetici esterni. Oltre ai magneti permanenti, esistono anche gli elettromagneti.

Indice

Il polo nord di un magnete permanente attrae il polo sud di un altro magnete permanente e viceversa. Tra poli dello stesso nome (tra polo nord e polo nord, tra polo sud e polo sud), invece, agiscono forze magnetiche repulsive. I materiali ferromagnetici (ferro, cobalto, nichel e alcune leghe) sono sempre attratti dai magneti permanenti.

I magneti permanenti sono materiali magnetici che, a differenza degli elettromagneti, non richiedono una corrente per il loro campo magnetico. I magneti permanenti sono sempre costituiti da materiali ferromagnetici i cui magneti elementari, gli spin atomici, sono stati allineati in parallelo attraverso un processo di magnetizzazione.

Ciò può avvenire quando le rocce ferromagnetiche fuse si raffreddano. Tali rocce sono state storicamente trovate dagli antichi greci nei pressi della città di Magnesia. La città di Magnesia è quindi all'origine dell'eponimo storico del magnetismo.

Tuttavia, i magneti permanenti possono essere prodotti anche artificialmente. I metalli fortemente ferromagnetici, solitamente leghe come il samario-cobalto, vengono magnetizzati da forti campi magnetici esterni. Questo processo di magnetizzazione presenta la cosiddetta isteresi, ossia un comportamento non simmetrico del materiale quando il campo magnetico esterno aumenta e poi diminuisce. L'isteresi si verifica perché l'allineamento dei magneti elementari nel ferromagnete è stabilizzato dall'interazione di scambio e quindi un materiale già magnetizzato ha proprietà diverse da un ferromagnete non ancora magnetizzato.

A causa dell'isteresi, un campo magnetico rimane nel ferromagnete anche quando il campo magnetico esterno viene spento. Il materiale magnetizzato diventa così un magnete permanente. La densità di flusso magnetico rimanente viene definita rimanenza.

Smagnetizzazione dei magneti permanenti

Mentre un elettromagnete può essere spento semplicemente interrompendo la corrente e la polarità può essere invertita invertendo la direzione della corrente, non è facile "spegnere" un magnete permanente. Da qui il termine "permanente". Un magnete permanente rimane magnetico finché l'allineamento degli spin atomici non viene nuovamente disturbato da influenze esterne (calore, forti impatti, campi magnetici). A quel punto le forze magnetiche scompaiono e il materiale deve essere nuovamente magnetizzato. In casi estremi, il materiale può addirittura essere danneggiato. Ogni magnete permanente ha quindi una temperatura massima di funzionamento. Al di sopra di questa temperatura possono verificarsi dei danni. Al di sopra della temperatura di Curie specifica del materiale, il magnete risulta in ogni caso completamente smagnetizzato.

Forza dei magneti permanenti

La forza di un magnete permanente dipende dal materiale utilizzato, ma anche dalla precisione con cui il materiale viene magnetizzato. La magnetizzazione porta a un'elevata remanenza solo se tutti gli spin atomici sono completamente allineati. Ciò richiede un materiale adatto e competenze tecniche.

Come descritto dalle equazioni di Maxwell, i campi magnetici hanno sempre origine da cariche in movimento. Esistono solo campi magnetici dovuti al movimento delle cariche, che producono sempre un campo magnetico con un polo nord e un polo sud.

Le forze magnetiche dei magneti permanenti sono spiegate dal movimento microscopico delle cariche nella materia. Gli elettroni negli atomi si muovono ad alta velocità. Gli elettroni hanno un caratteristico spin elettronico. Lo stato di movimento complessivo degli elettroni crea un momento magnetico e quindi una forza magnetica.
Le forze magnetiche agiscono sempre lungo il campo magnetico. Questo può essere rappresentato da linee di campo. Le linee di campo indicano anche la direzione e l'entità delle forze magnetiche.

Un anello di conduttore percorso da corrente (figura a sinistra) genera un campo magnetico. L'intensità di questo campo magnetico è misurata dal momento magnetico. In un materiale ferromagnetico (al centro) sono presenti numerosi momenti magnetici. Se sono tutti allineati in parallelo, si crea un magnete permanente. Il magnete permanente ha un campo magnetico identico a quello di una bobina. Nell'immagine sono indicate schematicamente solo alcune linee di campo, ma i magneti permanenti possono essere prodotti in un'ampia varietà di forme. A destra è mostrato un magnete a ferro di cavallo. I poli nord e sud di un magnete a ferro di cavallo sono opposti l'uno all'altro. Poiché le linee di campo magnetico sono sempre chiuse nel loro insieme, vanno dal polo nord al polo sud e poi di nuovo al polo nord nel materiale. Ne risulta un campo magnetico omogeneo con linee di campo parallele tra i poli nell'area interna del magnete a ferro di cavallo.

Le forze magnetiche di un magnete permanente dipendono principalmente dall'entità dei momenti magnetici atomici e dalla completezza dell'allineamento, nonché dall'entità dell'interazione di scambio. Queste variabili influenzano anche l'energia magnetica totale che viene immagazzinata in un magnete permanente. L'energia magnetica è misurata dal prodotto di energia. Il prodotto di energia determina la qualità di un magnete. Maggiore è il prodotto di energia e quindi l'energia magnetica del magnete permanente, migliore è la sua qualità.

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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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