Magneti: cosa, tipi, fatti importanti che i principianti devono sapere

Contenuti

• Storia dei magneti
• Tipi di materiali magnetici
• Materiali diamagnetici
• Materiali paramagnetici
• Materiali ferromagnetici
• Tipi di magneti
• Magneti duri e magneti morbidi
• Magnete permanente ed elettromagnete
• Applicazioni degli elettromagneti

Storia dei magneti

Dalle calamite (o magnetite) in primo luogo, le persone hanno avuto un'idea del funzionamento dei magneti, che sono pezzi magnetizzati di minerale di ferro che si trovano in natura. La parola magnete deriva dal greco, dalla terra chiamata "Magnesia", una parte dell'antica Grecia dove furono trovate le calamite. Entro la fine del 12 ° secolo d.C., furono usati magneti e bussole magnetiche sono stati costruiti e utilizzati nella navigazione in diverse parti del mondo come Cina, Europa, ecc.

Fondamentalmente, i magneti sono materiali che producono campi magnetici. I fisici Curie e Faraday hanno osservato che quasi tutti i materiali hanno determinate proprietà magnetiche e in base al loro comportamento magnetico li hanno divisi in tre categorie:

• Materiali diamagnetici
• Materiali paramagnetici
• Materiali ferromagnetici

Tipi di magnete:

Materiali magnetici duri: 

I magneti duri sono generalmente materiali ferromagnetici che hanno la capacità di trattenere la magnetizzazione per un periodo di tempo piuttosto lungo, cioè il materiale dovrebbe avere un'elevata ritenzione.

Anche i magneti duri dovrebbero avere un grado elevato di coercitività, cioè solo una grande grandezza del campo magnetico esterno dovrebbe essere in grado di eliminare il magnetismo residuo trattenuto dal materiale.

Alcuni esempi di materiali magnetici duri sono Alnico (una lega formata dalla combinazione di ferro, cobalto, alluminio, nichel e rame) e calamita (un metallo presente in natura).

Materiali magnetici morbidi: 

I magneti morbidi sono anche materiali ferromagnetici che possono mantenere la loro magnetizzazione fintanto che il campo magnetico esterno esce, cioè hanno una bassa ritenzione. Hanno anche un basso grado di coercitività, cioè la loro magnetizzazione trattenuta (sebbene sia molto inferiore) può essere eliminata molto facilmente.

Quindi, possono essere facilmente magnetizzati e smagnetizzati.

Questi tipi di materiali (magneti morbidi) vengono utilizzati per produrre elettromagneti poiché un materiale elettromagnetico dovrebbe avere una bassa ritenzione e anche una bassa coercitività. Il ferro dolce è un materiale adatto come ferromagnete morbido.

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I due tipi di magneti: magnete permanente ed elettromagnete

Magneti permanenti:

I materiali che possono mantenere le loro proprietà ferromagnetiche per lunghi periodi di tempo a temperatura ambiente normale possono essere classificati come magneti permanenti.

Per essere un magnete permanente è necessario un alto grado di ritenzione (il magnete può trattenere il suo magnetismo in assenza di campo magnetico esterno) e anche un alto grado di coercitività (la proprietà magnetica non viene cancellata dai campi magnetici esterni).

I magneti permanenti dovrebbero anche essere resistenti alle sollecitazioni meccaniche e ai cambiamenti di temperatura. 

Come affermato prima, un campo magnetico è prodotto da un campo elettrico mutevole. Quindi si teorizza che il campo magnetico di un magnete permanente sia una conseguenza dello spin uniforme degli elettroni in una particolare direzione all'interno degli atomi del materiale poiché la carica elettrica in movimento produce un campo elettrico mutevole. Questo tipo di rotazione uniforme degli elettroni negli atomi di un materiale è fondamentalmente dovuto alla struttura atomica e all'orientamento elettronico del materiale. Pertanto, solo pochi tipi di sostanze hanno la capacità di sostenere o trattenere permanentemente un campo magnetico.

Lodestone, Alnico, come menzionato nei magneti duri, può essere un esempio di magnete permanente. Dalle discussioni che abbiamo avuto si può dedurre che l'acciaio è più adatto per la produzione di magneti permanenti rispetto al ferro poiché l'acciaio ha un valore di coercitività molto più elevato del ferro sebbene il ferro abbia una ritenzione leggermente superiore rispetto all'acciaio. Per la produzione di magneti permanenti sono state sviluppate numerose leghe con valori di ritenzione e coercitività piuttosto elevati. Una tale lega con un valore di coercitività molto alto è chiamata vocalmente (una lega composta da vanadio, ferro e cobalto).

elettromagneti

Gli elettromagneti sono generalmente costruiti avvolgendo un materiale (solitamente materiali ferromagnetici) da un filo in una bobina e collegando i fili a un'alimentazione variabile (in modo tale che la corrente nei fili possa essere variata).

Come funziona un elettromagnete?

Quando una corrente scorre attraverso i fili, il campo magnetico prodotto da ciascuno dei singoli anelli della bobina viene sommato al campo magnetico degli anelli vicini e nel complesso funziona come un forte magnete a barra con il polo nord e il polo sud distinti.

Questo magnete a barra risultante con i suoi distinti Polo Nord e Sud è molto più forte di qualsiasi magnete a barra permanente che può essere magnetizzato e smagnetizzato a volontà, cioè può comportarsi come un magnete solo quando è necessario.

Il materiale utilizzato come anima dovrebbe avere un'elevata permeabilità, una bassa ritenzione e anche una bassa coercitività. In un elettromagnete, il campo magnetico e la densità di flusso possono essere facilmente variati in base alla corrente negli avvolgimenti. Questa proprietà di un elettromagnete è ampiamente utilizzata in diverse applicazioni, ma a differenza del magnete permanente questo richiede un alimentatore per funzionare e anche per l'elettromagnete, c'è una certa perdita di energia nella magnetizzazione e smagnetizzazione del nucleo come studiato in precedenza sotto forma di il ciclo di isteresi.

La formazione del Polo Nord e del Polo Sud quando la corrente scorre attraverso gli avvolgimenti dipende dalla direzione del flusso di corrente negli anelli. Dove si formeranno il Polo Nord e il Polo Sud può essere previsto dal diagramma mostrato sotto.

Fattori da cui dipende la forza dell'elettromagnete

L'intensità del campo magnetico o la densità del flusso magnetico dipende da quantità di corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti e anche a il numero di giri della bobina. Più specificamente, l'intensità del campo magnetico è direttamente proporzionale a entrambi, il che è rilevante dall'espressione della forza magnetomotrice, che è la seguente:

Forza magneto-motrice (MMF) = IXN 

where  è la corrente che scorre attraverso l'avvolgimento e N è il numero di giri.

Un'altra condizione su cui il forza magnetica di an elettromagnete dipende è il materiale utilizzato come nucleo. Generalmente il nucleo è costituito da materiale ferromagnetico con un elevato grado di permeabilità (la misura della facilità con cui un campo magnetizzante può penetrare o permeare un dato materiale). Se usiamo materiale non magnetico come legno, plastica, ecc., Si può presumere che il nucleo sia costituito da spazio libero poiché la permeabilità di tale materiale è molto bassa e quindi la densità del flusso magnetico sarà trascurabile.

Applicazioni degli elettromagneti

• Gli elettromagneti sono ampiamente utilizzati in dispositivi elettrici come campanelli elettrici, riscaldatori a induzione, ventilatori elettrici, telegrafo, treni elettrici, generatore di motori elettrici ecc.
• Sono usati per la levitazione magnetica come nei treni a levitazione magnetica.
• Sono utilizzati nelle cuffie, negli altoparlanti, nei registratori e persino negli hard disk dei nostri computer.
• Sono utilizzati come relè e in apparecchiature come spettrometri di massa e persino negli acceleratori di particelle.
• Sono persino utilizzati in scopi medici come la rimozione di pezzi di ferro dalle ferite e anche nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI). 

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