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Saturazione magnetica

La massima magnetizzazione di un materiale è chiamata magnetizzazione di saturazione. Lo sfondo è inizialmente proporzionale alla forza del campo magnetico che aumenta la forza magnetica nel caso di magnetizzazione di un corpo ferromagnetico. Tuttavia, da un certo punto di tempo, questa magnetizzazione aumenta sempre più lentamente fino a raggiungere finalmente un punto finale, la cosiddetta saturazione magnetica. È la ragione per cui i magneti permanenti hanno una forza di campo magnetico limitata - quindi non ci sono magneti che siano arbitrariamente forti.

Spiegazione fisica della magnetizzazione e saturazione del campo magnetico

Il tentativo di aumentare la magnetizzazione dopo aver raggiunto la saturazione magnetica si traduce nel seguente comportamento: Il materiale si comporta come se il campo magnetico esterno fosse aumentato nel vuoto. La magnetizzazione può essere osservata in questo contesto, specialmente nei materiali ferromagnetici: la densità del flusso magnetico aumenta molto forte non appena il materiale ferromagnetico viene introdotto in un campo magnetico esterno. La spiegazione fisica per questo sono gli spin dell'elettrone. Questi si allineano nel ferromagnete dopo il campo magnetico applicato esternamente. Con l'aumentare della magnetizzazione, sempre più di questi cosiddetti momenti magnetici (effetto dello spin dell'elettrone) si allineano parallelamente al campo magnetico. Questo processo è anche chiamato polarizzazione magnetica. A causa dell'allineamento stesso, il campo esterno viene rafforzato. Si tratta in questo caso di un forte aumento della densità del flusso magnetico e del campo magnetico nelle vicinanze del ferromagnete. Logicamente, questo processo ha luogo solo finché tutti i momenti magnetici esistenti sono allineati.

Una volta fatto, viene raggiunta la saturazione magnetica. D'ora in poi, il campo magnetico esterno del ferromagnete non può essere ulteriormente amplificato, anche se è ulteriormente aumentato dall'esterno. La densità di flusso di questo campo si comporta da ora in poi come se il campo magnetico fosse amplificato nel vuoto. Quindi non c'è amplificazione da parte del ferromagnete - dopotutto, non è più possibile allineare lo spin dell'elettrone.

L'esperimento mostra la saturazione magnetica

Questo esperimento richiede una bobina con un nucleo di ferro e un misuratore di densità di flusso magnetico (come una sonda Hall) e una sorgente di tensione regolabile. Nell'esperimento si misura sempre la densità del flusso magnetico direttamente sul nucleo di ferro con correnti variabili. Risulta che la densità del flusso magnetico inizialmente aumenta molto significativamente con un aumento della corrente elettrica attraverso la bobina di ferro. Se la corrente o la corrente sono raddoppiate, anche la densità del flusso magnetico raddoppia. Tuttavia, ad un certo punto, c'è un aumento più lento. Infine, viene raggiunta la saturazione magnetica del nucleo di ferro (per ferro con una densità di flusso massima di 2 Tesla). La permeabilità magnetica del materiale ferromagnetico diminuisce durante l'effetto di saturazione finché non si avvicina all'unità. Ciò significa che la conduttività magnetica del materiale ferromagnetico è uguale a quella del vuoto, confermando così le precedenti affermazioni che il campo magnetico del ferromagnete si comporta come un campo magnetico nel vuoto dopo la saturazione.

Rimanenza e saturazione magnetica

Come già spiegato, la saturazione massima viene raggiunta quando tutti gli spin atomici sono allineati con il campo magnetico. La magnetizzazione del materiale non può continuare ad aumentare da ora in poi, motivo per cui, dopo aver disattivato il campo magnetico esterno, questo è lo stato della massima magnetizzazione rimanente possibile. La magnetizzazione rimanente è fondamentalmente chiamata "rimanenza".

Importanza nella tecnologia

La saturazione magnetica porta a molti svantaggi nelle applicazioni tecniche. Un esempio sono i trasformatori. Questi convertono la tensione in base a un campo magnetico variabile attraverso due bobine che hanno lo stesso nucleo di ferro. Finché la corrente nel circuito primario del trasformatore è molto bassa, il trasformatore funziona con alta efficienza perché la magnetizzazione con la corrente è nel campo proporzionale. Tuttavia, se la corrente diventa troppo alta, l'efficienza diminuirà al raggiungimento della gamma di magnetizzazione di saturazione. Anche l'efficienza del trasformatore diminuisce. Si può contrastare questo effetto tagliando un traferro nel nucleo di ferro. La saturazione magnetica si verifica successivamente, poiché la densità del flusso magnetico aumenta più lentamente, dopotutto la resistenza magnetica del traferro è molto più alta di quella del nucleo di ferro. Questo a sua volta aumenta l'efficienza. Nella maggior parte dei trasformatori, tuttavia, è possibile rinunciare a tale spazio d'aria. Un contro-esempio sarebbero i cosiddetti trasformatori ad alta corrente. Questi possono essere conosciuti dalle lezioni di fisica: l'insegnante di solito cerca di far brillare un'unghia o un altro oggetto metallico simile a una canna con una corrente elevata.