La coercitività magnetica o forza coercitiva, indicata con HC è una misura della resistenza di un materiale a smagnetizzarsi ovvero a ridurre o eliminare le proprietà magnetiche quando viene esposto a un campo magnetico esterno.
Il valore della coercitività magnetica determina la stabilità dello stato rimanente e dà origine alla classificazione dei magneti in materiali magnetici duri (magneti permanenti), materiali semiduri (supporti di memorizzazione) e materiali magnetici morbidi.
Un vantaggio dell’elevata coercitività magnetica nei materiali magnetici duri è la loro magnetizzazione permanente. Ciò significa che mantengono la loro magnetizzazione anche senza un campo magnetico esterno una volta magnetizzati. Ciò li rende utili in applicazioni in cui è richiesto un magnete permanente, come nei magneti per altoparlanti e microfoni o nei separatori magnetici utilizzati nell’estrazione mineraria e nel riciclaggio.
Un vantaggio della bassa coercitività magnetica nei materiali magnetici morbidi è che possono essere facilmente magnetizzati e smagnetizzati. Ciò li rende utili in applicazioni in cui la magnetizzazione del materiale deve essere facilmente controllata, come nei trasformatori elettrici e nei motori. In queste applicazioni, la magnetizzazione del materiale può essere facilmente modificata applicando un piccolo campo magnetico, che consente al trasformatore o al motore di funzionare in modo efficiente.
Tipi
A seconda del significato che si attribuisce al termine smagnetizzare vi sono diverse definizioni di coercività ovvero:
coercitività normale Hcn, si riferisce al campo magnetico esterno necessario per ridurre la magnetizzazione di un materiale a zero. Questo misura la resistenza del materiale a smagnetizzarsi quando sottoposto a un campo magnetico esterno.
coercitività intrinseca Hci , si riferisce al campo magnetico interno necessario per ridurre la magnetizzazione di un materiale a zero. Questo misura la resistenza intrinseca del materiale a smagnetizzarsi senza l’influenza di campi magnetici esterni
coercitività di rimanenza Hcr si riferisce al campo magnetico necessario per ridurre la magnetizzazione rimanente o magnetismo residuo a zero
Misurazione della coercitività magnetica
Abitualmente misurata in unità di ampere per metro A/m, la coercitività magnetica, può essere misurata con un magnetometro a campione vibrante (VSM) in cui un campione di materiale è posizionato in un campo magnetico e l’intensità del campo viene gradualmente aumentata.
materiali magnetici
La magnetizzazione del campione è misurata man mano che l’intensità del campo aumenta e l’intensità del campo a cui la magnetizzazione del campione è ridotta a zero è registrata come coercitività magnetica del materiale.
Un altro metodo per misurare la coercitività magnetica è il metodo SQUID (acronimo di Superconducting Quantum Interference Device tramite un dispositivo superconduttore a interferenza quantistica. In questo metodo, un campione di materiale è posto in un campo magnetico e la magnetizzazione del campione viene misurata variando l’intensità del campo. L’intensità del campo a cui la magnetizzazione del campione è ridotta a zero viene registrata come coercitività magnetica del materiale.
Fattori influenzano la coercitività magnetica
Diversi fattori determinano la coercitività magnetica di un materiale. La coercitività magnetica delle varie specie ha una dipendenza dalla loro dimensione del grano. Man mano che la dimensione del grano diminuisce, la coercitività magnetica aumenta fino al massimo e poi diminuisce.
dimensione del grano
Il tipo e la purezza del materiale svolgono un ruolo cruciale nel determinare la sua coercitività magnetica. I materiali con un grado più elevato di purezza e uniformità tendono ad avere una coercitività più elevata rispetto ai materiali impuri o eterogenei.
L’‘intensità del campo magnetico applicato a un materiale può avere un impatto significativo sulla sua coercitività magnetica. I materiali con una maggiore coercitività possono resistere a campi magnetici applicati più forti senza smagnetizzarsi.
La temperatura di un materiale può influenzare la sua coercitività magnetica. I materiali con una maggiore coercitività tendono ad avere temperature di Curie più elevate, temperatura alla quale il materiale perde le sue proprietà magnetiche.
La presenza di impurità o difetti in un materiale può avere un impatto negativo sulla sua coercitività in quanto le impurità e i difetti possono fungere da siti in cui il campo magnetico può essere facilmente invertito, rendendo il materiale più suscettibile alla smagnetizzazione.
La quantità di stress su un materiale può anche influenzare la sua coercitività. I materiali che sono sottoposti a livelli elevati di stress tendono ad avere una coercitività magnetica inferiore rispetto ai materiali che non sono sottoposti a stress.
I materiali con alti livelli di anisotropia magnetica, proprietà di un materiale che gli consente di avere diverse proprietà magnetiche in direzioni diverse, tendono ad avere una maggiore coercitività magnetica rispetto ai materiali con bassi livelli di anisotropia magnetica.
Isteresi magnetica
L’isteresi è un fenomeno per il quale lo stato di un sistema in un determinato istante dipende anche dalla sua storia passata e si verifica tipicamente nei materiali ferromagnetici. Il fisico e ingegnere scozzese Sir James Alfred Ewing nel 1881 coniò il termine isteresi, dal greco ὑστέρησις che significa carenza o ritardo per descrivere il comportamento dei materiali magnetici.
L’isteresi magnetica è il fenomeno correlato al ritardo dell’induzione magnetica rispetto al campo magnetizzante quando un campione di materiale magnetico è sottoposto a un ciclo di magnetizzazione. In un sistema magnetico, l’isteresi si osserva in un materiale ferromagnetico che tende a rimanere magnetizzato dopo che una forza di campo applicata è stata rimossa se la forza è invertita nella polarità.
coercitività magnetica e isteresi
Riportando un grafico la densità di flusso B in funzione della intensità del campo magnetico H applicando una forza di campo crescente dovuta alla corrente attraverso le bobine dell’elettromagnete si vede che la densità di flusso aumenta secondo la normale curva di magnetizzazione.
Interrompendo il flusso di corrente che attraversa la bobina dell’elettromagnete, grazie alla ritentività del materiale ovvero alla capacità dei materiali ferromagnetici di trattenere un residuo di magnetizzazione, si ha ancora un flusso magnetico e il nucleo elettromagnetico a questo punto agisce come un magnete permanente.
Nella terza fase applicando la stessa quantità di forza del campo magnetico nella direzione opposta al campione, la densità di flusso raggiunge un punto equivalente a quello precedente tranne che nella direzione negativa. Fermando di nuovo il flusso di corrente che attraversa la bobina a causa della ritenzione del materiale, esso mantiene un flusso magnetico senza che sia applicata alcuna potenza applicata alla bobina, tranne che questa volta è in una direzione opposta a quella dell’ultima volta in cui abbiamo interrotto la corrente attraverso la bobina.
Nell’ultima fase se si applica nuovamente la potenza in una direzione positiva, si nota che la densità del flusso raggiungere di nuovo il suo picco precedente nell’angolo in alto a destra del grafico. La curva a S tracciata da questi stadi forma quella che è chiamata curva di isteresi di un materiale ferromagnetico per un dato insieme di estremi di intensità di campo (-H e +H).
L’isteresi magnetica trova applicazioni nel campo dell’archiviazione magnetica, come le unità a disco rigido (HDD) che utilizzano uno o più dischi magnetizzati per l’archiviazione di dati e applicazioni e unità a nastro magnetico. Questi dispositivi si basano sulla capacità di scrivere e leggere dati manipolando la magnetizzazione di minuscoli domini magnetici su un supporto di archiviazione.
Nel processo di archiviazione il ciclo di isteresi magnetica svolge un ruolo fondamentale. Infatti quando si scrivono dati, è applicato un campo magnetico esterno per modificare la magnetizzazione del supporto di archiviazione. La coercitività del supporto, rappresentata dalla larghezza del ciclo di isteresi, determina la stabilità dei dati archiviati. Una coercitività magnetica più elevata garantisce una migliore conservazione dei dati, mentre una coercitività magnetica più bassa consente una riscrittura più semplice.
Applicazioni dei magneti permanenti
I magneti permanenti ad alte prestazioni sono uno dei materiali fondamentali che supportano le tecnologie moderne in cui l’energia elettrica è convertita in movimento, o viceversa, con la massima efficienza possibile.
Esempi di applicazioni dei magneti permanenti ad alte prestazioni includono unità disco per dispositivi di archiviazione delle informazioni, veicoli ibridi ed elettrici, biciclette elettriche e trasduttori tra cui gli altoparlanti. Tra questi, i mercati di veicoli ibridi ed elettrici stanno crescendo a un ritmo rapido per consumare una grande quantità di magneti permanenti di altissima qualità e, si prevede che i generatori eolici e altri dispositivi di generazione o accumulo di energia saranno le applicazioni del prossimo futuro che utilizzano anche un grande volume di magneti permanenti ad alte prestazioni.
I magneti permanenti ad alte prestazioni sono indispensabili nella produzione di motori e generatori ad alta efficienza. La questione centrale del magnetismo permanente moderno è realizzare un’elevata coercitività magnetica vicino e sopra la temperatura ambiente su materiali magnetici senza fare affidamento su elementi critici come le terre rare pesanti mediante l’ingegneria nanostrutturale.
Gli indicatori più importanti dei materiali magnetici sono il prodotto massimo di energia e la coercitività magnetica. L’elevato prodotto di energia magnetica e l’elevata coercitività intrinseca indicano che il materiale magnetico richiesto per produrre la stessa forza magnetica è di dimensioni inferiori, più leggero, più resistente alla smagnetizzazione e più efficiente dal punto di vista energetico.
Per generare una grande coercitività magnetica, le proprietà magnetiche correlate, vale a dire, lo scambio magnetico e le energie di anisotropia devono avere profili netti nell’intervallo di dimensioni tra scale atomiche e nanometriche nelle caratteristiche strutturali che si trovano vicino alle interfacce dei grani di cristallo nei materiali magnetici duri policristallini.
