Che cos'è la permeabilità magnetica

Il concetto di permeabilità magnetica indica la velocità con cui un materiale permette alle linee di campo magnetico di attraversarlo. In termini meno tecnici, è una misura della facilità con cui un materiale può condurre il magnetismo attraverso di esso, analogamente alla conducibilità elettrica che è una misura della facilità con cui l'elettricità può essere condotta.

Questo fatto spiega perché materiali come il ferro diventano potenti magneti, mentre il legno o la plastica non lo sono. I materiali altamente permeabili sono in grado di concentrare le linee magnetiche, il che è prezioso nei motori, nei trasformatori e negli induttori.

Definizione di permeabilità magnetica

La misura in cui un materiale trasporta un campo magnetico al suo interno è chiamata permeabilità magnetica. Racconta la risposta del materiale all'applicazione di un campo magnetico.

Consideriamo le linee magnetiche come l'acqua in un tubo; un materiale altamente permeabile assomiglia a un tubo largo che permette al magnetismo di passare facilmente. La rappresentazione della permeabilità è m (mu) ed è un parametro significativo nei calcoli magnetici.

Permeabilità magnetica dello spazio libero 

La permeabilità magnetica dello spazio libero, comunemente indicata come μ₀ (mu-naught), è una proprietà del magnetismo nel vuoto. Ha un valore costante di 4π × 10-⁷ H/m (henry per metro).

Questo può essere utilizzato per confrontare il comportamento magnetico di altri materiali. Nel caso della permeabilità relativa, questa è sempre dovuta al fatto di essere misurata rispetto a μ₀.

Relazione tra B e H; definizione di permeabilità μ

La permeabilità collega due termini importanti del magnetismo, la densità di flusso magnetico (B) e l'intensità del campo magnetico (H), mediante l'equazione:

B = μH

In questo caso, B rappresenta il campo magnetico complessivo all'interno del materiale, H è il campo applicato e μ è la forza di risposta del materiale.

Se m è alto, il materiale si magnetizza facilmente; se è basso, non si magnetizza facilmente.

Visione microscopica e macroscopica; permeabilità incrementale

Su scala microscopica, la permeabilità magnetica è determinata dall'allineamento di piccoli magneti atomici (dipoli) con un campo esterno. In sostanze come il ferro, gli atomi sono orientati in gran numero, il che li rende molto permeabili.

Su scala macroscopica, la permeabilità è un termine utilizzato per descrivere il comportamento complessivo del materiale come entità e può variare con l'intensità del campo, la temperatura o la frequenza.

La piccola variazione del flusso magnetico per la piccola variazione del campo applicato è il permeabilità incrementale. Può essere utile anche per studiare il comportamento dei materiali nei confronti di campi magnetici alternati o variabili, compresi i trasformatori e i circuiti elettronici.

Formula della permeabilità magnetica
 Per studiare la permeabilità magnetica nella vita reale, utilizziamo delle formule. Queste aiutano a calcolare come i campi magnetici agiscono all'interno dei diversi materiali. Grazie a queste equazioni, gli ingegneri possono confrontare i materiali, progettare dispositivi magnetici migliori e prevedere la capacità di una sostanza di trasportare il magnetismo.

Simboli/unità e variabili

Nelle equazioni magnetiche si utilizzano tre simboli principali: B, H, e μ.

• B sta per densità di flusso magnetico, misurato in tesla (T). Mostra il campo magnetico totale all'interno del materiale.
• H rappresenta intensità del campo magnetico, misurato in ampere per metro (A/m). Indica l'intensità del campo magnetico applicato.
• μ è il permeabilità magnetica, che mostra la quantità di flusso magnetico prodotto all'interno del materiale per un dato campo applicato.

Insieme, formano l'equazione di base B = μH.

Unità di permeabilità magnetica

Lo standard Unità SI della permeabilità magnetica è il henry per metro (H/m). Può anche essere espresso come tesla metro per ampere (T-m/A) perché 1 henry equivale a 1 tesla metro per ampere.

Questa unità descrive la quantità di campo magnetico (in tesla) generato per una determinata intensità di corrente per metro di materiale.

Formula dimensionale

La formula dimensionale della permeabilità magnetica può essere ricavata dall'equazione B = μH.
  Lo sappiamo:

• B ha dimensioni [M¹ L⁰ T-² I-¹]
• H ha dimensioni [I L-¹]

Pertanto,
  μ = B / H = [M¹ L¹ T-² I-²]

Quindi, la formula dimensionale della permeabilità magnetica è M¹ L¹ T-² I-², che rappresenta la sua dipendenza dalla massa, dalla lunghezza, dal tempo e dalla corrente elettrica.

Unità di permeabilità magnetica relativa

Permeabilità magnetica relativa (μᵣ) è un quantità adimensionale. Rappresenta il rapporto tra la permeabilità del materiale (μ) e la permeabilità dello spazio libero (μ₀):
  μᵣ = μ / μ₀

Dato che sia μ che μ₀ hanno le stesse unità, il loro rapporto ha nessuna unità. Questo rende μᵣ un numero puro utilizzato per un facile confronto tra i materiali.

Permeabilità relativa e suscettibilità magnetica
  La permeabilità relativa e la suscettibilità magnetica descrivono come i materiali reagiscono ai campi magnetici. Permeabilità mostra la facilità con cui un campo magnetico passa attraverso un materiale, mentre suscettibilità mostra la forza con cui il materiale viene magnetizzato. Insieme, spiegano il comportamento magnetico di diverse sostanze.

μᵣ = μ/μ₀; χₘ = μᵣ - 1
  Permeabilità relativa (μᵣ) è il rapporto tra la permeabilità di un materiale (μ) alla permeabilità dello spazio libero (μ₀). Indica quanto meglio o peggio un materiale trasporta il flusso magnetico rispetto al vuoto.
  Suscettibilità magnetica (χₘ) misura la quantità di magnetizzazione prodotta all'interno del materiale. Sono collegati da χₘ = μᵣ - 1, cioè un μᵣ più alto dà un χₘ più alto.

Suscettibilità magnetica
  Suscettibilità magnetica (χₘ) indica la facilità con cui un materiale si magnetizza. Se χₘ è positivo, il materiale è attratto dai magneti (come il ferro). paramagnetico o ferromagnetico). Se χₘ è negativo, è leggermente respinto (diamagnetico). Questo aiuta a identificare il modo in cui gli atomi si allineano con un campo magnetico.

Relazione con la suscettibilità e i μ₀
  La permeabilità e la suscettibilità sono legate dalla formula μ = μ₀(1 + χₘ). Dimostra che la permeabilità totale dipende sia dalla permeabilità del vuoto sia dalla suscettibilità del materiale. Quando χₘ aumenta, aumenta anche μ - il che significa che il materiale supporta un campo magnetico più forte.

Relazione tra χ e μᵣ

 Il semplice collegamento tra loro è μm_1D63↩ = 1 + χₘ.
  Se χₘ = 0, allora μᵣ = 1 (come l'aria o il vuoto).
 I materiali ferromagnetici hanno un χₘ elevato e un μᵣ molto grande, mentre i materiali diamagnetici hanno un χₘ negativo e un μᵣ appena inferiore a 1. Questa relazione aiuta a classificare i materiali in base al loro comportamento magnetico.

Tipi di permeabilità magnetica

La permeabilità magnetica non è un valore costante. Varia a seconda del materiale e del campo di applicazione, della forza e di altre condizioni come la temperatura o la frequenza. Di seguito sono definite diverse classi di permeabilità, che descrivono il comportamento dei materiali nel passaggio attraverso determinati campi magnetici o condizioni di segnale nei campi magnetici fissi e alternati.

Permeabilità assoluta (μ)

La permeabilità effettiva di un materiale in henry per metro (H/m) è nota come permeabilità assoluta (μ). È la somma di tutte le capacità di conduzione di quel materiale nei confronti del flusso magnetico. La permeabilità assoluta contiene l'effetto della struttura atomica e delle condizioni del campo esterno del materiale.

È utile come base di calcolo, per poi essere confrontato con lo spazio libero o con le misure relative.

Permeabilità relativa (μᵣ)

La permeabilità relativa (μᵣ) è il rapporto tra la permeabilità di un materiale e la permeabilità dello spazio libero. È il rapporto tra la quantità di campo magnetico che una sostanza può trasportare e quella che può trasportare il vuoto.

Ad esempio, se μᵣ è uguale a 1000 per il ferro dolce, significa che il ferro dolce è in grado di condurre il flusso magnetico 1000 volte meglio dell'aria.

Ampiezza, massima, iniziale, incrementale, reversibile, complessa

I diversi tipi di permeabilità aiutano gli scienziati a capire come si comportano i materiali in diverse condizioni ambientali.

Ampiezza della permeabilità è il valore che appare quando il campo magnetico subisce variazioni sinusoidali.

Permeabilità iniziale - la permeabilità a campi magnetici molto bassi.

Permeabilità massima è il valore massimo misurato prima che i materiali diventino saturi.

Permeabilità incrementale è la permeabilità di piccolo segnale intorno a uno specifico punto di polarizzazione.

Permeabilità reversibile è il comportamento dei materiali nei casi in cui la direzione dei campi magnetici si inverte completamente.

Il permeabilità complessa Il modello è applicabile ai campi alternati che presentano perdite di potenza e sfasamenti.

Tipi di materiali magnetici

I materiali magnetici vengono disposti dagli scienziati in base alle loro risposte al campo magnetico. I materiali mostrano una resistenza variabile al campo magnetico: alcuni sono molto resistenti, altri hanno una resistenza debole e altri ancora sono molto attrattivi. La comprensione della permeabilità e della suscettibilità viene utilizzata nella selezione dei materiali adatti per il loro lavoro magnetico ed elettronico, a seconda del comportamento dei materiali.

Categorie di permeabilità magnetica

Gli scienziati raggruppano i materiali magnetici in tre grandi categorie. Come ad esempio:

Materiali ferromagnetici

I materiali ferromagnetici presentano il massimo grado di permeabilità, poiché sono fortemente attratti da un campo magnetico.

I dipoli atomici in questi materiali sono paralleli tra loro e quindi determinano un valore di permeabilità molto elevato, migliaia di volte superiore ai valori dello spazio libero.

Questi materiali sono utilizzati nella costruzione di motori e trasformatori e nello sviluppo di nuclei magnetici, ma le loro caratteristiche di permeabilità diminuiscono con l'aumento della temperatura o con l'aumento del campo magnetico. I materiali diventano amagnetici a temperature superiori al punto di Curie.

Materiali paramagnetici

I materiali paramagnetici hanno una piccola suscettibilità positiva e una permeabilità relativa leggermente superiore a uno. Ne sono un esempio l'alluminio, il platino e il magnesio. Questi materiali presentano una certa attrazione per i magneti, che però si perde quando il campo magnetico viene rimosso.

I materiali hanno un'applicazione di ricerca scientifica e possono funzionare in un ambiente con un campo magnetico debole.

Materiali diamagnetici

I materiali diamagnetici, come il rame, l'oro e il bismuto, vengono spinti via dai campi magnetici. I momenti magnetici degli elettroni di questi materiali causano un debole effetto di repulsione, in quanto resistono al campo magnetico esterno.

Permeabilità complessa

Quando i campi magnetici applicati ai materiali subiscono variazioni dipendenti dal tempo, la permeabilità si complica nel caso di correnti alternate o funzioni a microonde. L'accumulo o la perdita di energia sotto un campo magnetico alternato è dato dalle due componenti della permeabilità complessa, che comprendono la componente reale e quella immaginaria.

μ′ e μ″; perdita tangente tan δ = μ″/μ′

Nella permeabilità complessa, μ′ (mu prime) rappresenta la parte reale, che mostra quanta energia magnetica viene immagazzinata, mentre μ″ (mu doppio primo) rappresenta la parte immaginaria, che indica quanta energia viene persa sotto forma di calore.

Il tangente di perdita (tan δ = μ″ / μ′) indica l'efficienza con cui un materiale magnetico opera a frequenze alternate. Un tan δ più basso significa meno perdite e migliori prestazioni.

Questo concetto è fondamentale nella progettazione di materiali per trasformatori ad alta frequenza, antenne e schermature, dove contano sia l'accumulo di energia che la perdita.

Isteresi magnetica

L'isteresi magnetica si riferisce al ritardo tra le variazioni di potenza del campo magnetico e la conseguente magnetizzazione di un materiale. Dimostra che la permeabilità non è regolare, ma dipende dai record magnetici, da come il materiale si trasforma in precedentemente magnetizzato o smagnetizzato durante ripetuti cicli magnetici.

Cambiamenti di permeabilità con il loop B-H

 All'interno della curva B-H (anello di isteresi magnetica), la permeabilità rimane costante con un aumento e una diminuzione della magnetizzazione. In primo luogo, la permeabilità aumenta violentemente con l'allineamento dei dipoli atomici con la sfera.

Una volta che il campo raggiunge il punto di saturazione, un ulteriore aumento dell'intensità del campo rende insignificante la magnetizzazione aggiuntiva. Nel punto di inversione, il campo non è completamente invertito e quindi si verifica una perdita di isteresi.

Questo ciclo permette di determinare l'efficienza dei cicli di sostanze magnetiche per immagazzinare e rilasciare energia.

Saturazione e materiali del nucleo

Quando un nucleo magnetico è saturo, tutti i domini magnetici si sono allineati e la permeabilità si riduce notevolmente. A questo punto, il materiale non è in grado di trattenere altro flusso magnetico.

I principali materiali utilizzati come nucleo, come il silicio metallico, la ferrite e le leghe di ferro, sono scelti in base alla loro capacità di gestire efficacemente la saturazione.

È importante mantenere un'elevata permeabilità al di sotto della saturazione nei trasformatori, negli induttori e in altri dispositivi elettromagnetici, per garantire che i magneti funzionino in modo pulito e che le perdite siano minime.

Fattori che influenzano la permeabilità

La permeabilità magnetica non è fissa, ma varia a seconda della temperatura, della struttura del materiale, delle impurità e della potenza del campo magnetico. La consapevolezza di questi fattori aiuta a creare dispositivi magnetici ed elettronici.

Temperatura, microstruttura, impurità

L'alta temperatura fa sì che l'allineamento magnetico sia perturbato dalle vibrazioni atomiche, abbassando la permeabilità.

Anche la microstruttura (come la dimensione dei grani e l'orientamento dei cristalli) può essere fondamentale; i grani più fini spesso danno risultati migliori.

La maggior parte delle impurità, come il carbonio o l'ossigeno, interferisce con il movimento dei domini; pertanto, le leghe magnetiche vengono trattate termicamente e purificate per bilanciarle.

 Non linearità; effetti di saturazione

In presenza di campi magnetici elevati, i domini si allineano, determinando un comportamento di permeabilità non lineare. Il materiale diventa resistente alla permeabilità, dopodiché il suo valore si riduce rapidamente. I trasformatori sono progettati in base alla prevenzione della saturazione, che impedisce la perdita di energia e la degradazione del segnale.

La permeabilità magnetica può cambiare

La permeabilità magnetica dei materiali è soggetta a variazioni nel tempo a causa dell'applicazione di sollecitazioni, di vari cicli di magnetizzazione e della pressione meccanica. L'allineamento magnetico dei domini subisce leggere variazioni, per cui i materiali magnetici richiedono un trattamento speciale per mantenere le loro proprietà omogenee.

 Esempio di permeabilità magnetica nell'acciaio dolce

L'acciaio dolce ha un'elevata permeabilità magnetica, poiché la sua permeabilità relativa è compresa tra 2000 e 5000, il che consente alle linee magnetiche di attraversare il materiale migliaia di volte rispetto all'aria. Grazie alla sua elevata permeabilità, questo materiale è stato utilizzato come ottimo sostituto per i nuclei dei trasformatori e degli elettromagneti.

Esempio di permeabilità magnetica nel legno

I valori di permeabilità relativa del legno sono compresi nell'intervallo 1, il che significa che non attira né allontana i campi magnetici. Il materiale è un amagnetico in base a esperimenti scientifici che non interferiscono con un campo magnetico.

Applicazioni dei materiali ad alta permeabilità

Il funzionamento dei sistemi elettrici ed elettronici si basa anche su materiali ad alta permeabilità magnetica. Questi materiali riducono al minimo gli sprechi di energia, migliorano le prestazioni e stabilizzano i circuiti magnetici di trasformatori, motori e dispositivi di schermatura che devono lavorare in condizioni magnetiche pesanti o variabili.

Trasformatori e induttori

I trasformatori e gli induttori hanno nuclei ad alta permeabilità in acciaio al silicio o ferrite, che consentono una facile trasmissione del flusso magnetico. Il sistema è in grado di trasferire meglio l'energia, con basse perdite di potenza e di campo magnetico. Una scelta adeguata dei materiali del nucleo consente di fornire un lavoro stabile ed efficiente nei sistemi di alimentazione e nei circuiti di trasmissione dei segnali.

Immagazzinamento magnetico

I dischi e i nastri sono dispositivi di archiviazione magnetica che memorizzano i dati digitali utilizzando materiali con una permeabilità altamente regolata. Le informazioni binarie sono rappresentate dall'orientamento magnetico di piccole regioni. Il materiale facilita la scrittura e la lettura dei dati, oltre ad ampliare lo spazio di archiviazione.

Schermatura elettromagnetica

La schermatura elettromagnetica è realizzata con materiali ad alta permeabilità come il mu-metallo. Le linee del campo magnetico vengono assorbite e reindirizzate, evitando così le interferenze con l'elettronica sensibile. Il materiale protegge le apparecchiature mediche, i sistemi di comunicazione e le apparecchiature di laboratorio dalle interferenze elettromagnetiche.

Campi magnetici estranei

I materiali ad alta permeabilità fungono da barriere protettive che reindirizzano i campi magnetici verso aree sicure in presenza di campi magnetici forti o incontrollati. Questi materiali proteggono le strutture di risonanza magnetica, le operazioni aerospaziali e le apparecchiature scientifiche di precisione dalle interferenze, garantendo la precisione e la sicurezza operativa.

Conclusione

La permeabilità magnetica è una delle principali proprietà che descrive il comportamento dei materiali in presenza di un campo magnetico. Essa collega le interazioni a livello atomico con le prestazioni magnetiche a grande segnale, il che porta alla comprensione dei diversi tipi di materiali nel contesto dei campi magnetici. In parole povere, alcuni materiali aumentano il campo magnetico, mentre altri lo indeboliscono. Lo studio della permeabilità è molto utile per comprendere il comportamento dei domini magnetici e il loro ruolo nel determinare l'efficienza dei dispositivi magnetici.

La capacità di controllare la permeabilità è uno dei fattori più importanti per la creazione di sistemi affidabili e a risparmio energetico nella tecnologia moderna. Conoscendo il modo in cui la temperatura, le impurità e la saturazione influenzano la permeabilità, gli ingegneri possono creare componenti magnetici non solo più intelligenti ma anche più stabili per le applicazioni reali.

FAQ

Un'elevata permeabilità magnetica è positiva?

Gli elevati valori di permeabilità magnetica producono effetti positivi nella maggior parte delle situazioni. Il materiale consente una migliore trasmissione del flusso magnetico, con conseguente miglioramento dell'efficienza operativa di trasformatori, motori e induttori.