magnetici, materiali
Letteralmente, tutti i materiali capaci di magnetizzarsi se sottoposti all’azione di un campo magnetico, e quindi ogni materiale, dato che tutti i materiali si magnetizzano, quale più, quale meno; restrittivamente, i materiali capaci di magnetizzarsi fortemente, interessanti ai fini delle applicazioni scientifiche e specialmente tecniche: sono tali, in questo significato, i soli materiali con relativemente grande suscettività magnetica, e quindi i soli materiali ferromagnetici e ferrimagnetici, divisi in materiali m. dolci e materiali m. duri a seconda di alcune loro caratteristiche (essenzialmente il campo coercitivo) che li rendono adatti all’uso in elettromagneti i primi, e per fabbricare magneti permanenti i secondi. Una terza classe è quella dei materiali m. isolanti.
Materiali m. dolci
Caratteristiche. - I materiali destinati alle apparecchiature elettriche devono avere elevata permeabilità, essere suscettibili di rapida magnetizzazione e smagnetizzazione e presentare basse perdite; devono quindi avere ciclo d’isteresi molto stretto, basso campo coercitivo, alta induzione di saturazione, buona lavorabilità. Per ottenere materiali m. dolci occorre far sì che le pareti dei domini ferromagnetici possano scorrere il più facilmente possibile una sull’altra. I materiali, quindi, devono essere molto puri (con il ridursi del contenuto di impurità la permeabilità cresce rapidamente), privi di tensioni interne, avere grani ben orientati, presentare nel minor grado possibile effetti di anisotropia e di magnetostrizione (quest’ultima infatti crea sforzi interni in seguito alla magnetizzazione). L’anisotropia e la magnetostrizione possono essere diminuite legando materiali che hanno direzioni diverse di facile magnetizzazione e magnetostrizione opposta. Per es., le leghe Fe-Ni con un contenuto in nichel fra 70 e 80% si presentano come buoni materiali dolci.
Per quello che riguarda le perdite in campi magnetici variabili, grande importanza ha la resistività dei materiali. Nei materiali conduttori, infatti, al variare delle correnti che producono i campi si generano correnti parassite (di Foucault), che causano dissipazione di energia per effetto Joule. Le perdite di energia che si riscontrano sono la somma di quelle propriamente magnetiche, cioè per isteresi (che sono proporzionali alla frequenza della corrente, supposta sinusoidale, e all’area del ciclo d’isteresi), e di quelle prodotte per effetto Joule dalle correnti parassite (che crescono con il quadrato della frequenza). È di importanza fondamentale limitare le perdite per correnti di Foucault e a tal fine è conveniente avere materiali a resistività elevata. Allo stesso scopo di ridurre le correnti parassite si usa realizzare i nuclei con lamierini separati fra loro da sottili strati isolanti o addirittura, per frequenze dell’ordine delle decine o centinaia di chilohertz, con polveri riunite da collanti isolanti. L’aumento rapido delle perdite con la frequenza a causa della conducibilità dei materiali ferromagnetici ne limita le possibilità di impiego alle alte frequenze.
Un’altra importantissima causa di perdita di energia è quella dovuta alla risonanza ferromagnetica. In corrispondenza alla frequenza di risonanza si ha un massimo nella dissipazione di energia, sia mediante l’eccitazione di modi di vibrazione del reticolo sia mediante l’eccitazione di modi magnetici. Inoltre, a causa della relazione di proporzionalità inversa esistente fra frequenza di risonanza e permeabilità iniziale, i materiali a elevata permeabilità possono essere usati solo a basse frequenze; è comunque opportuno che il picco di risonanza sia il più stretto possibile.
Tipi di materiali m. dolci sono, oltre gli acciai a basso tenore di carbonio, gli acciai al silicio, le leghe ferro-nichel e altre leghe con cobalto, rame ecc. A questa classe appartengono anche alcune ferriti, che per le loro particolarità hanno largo uso nel campo delle alte frequenze. Nella tab. 1 sono riportate le caratteristiche di alcuni materiali m. dolci.
Ferro e ferro-silicio. - I circuiti magnetici delle macchine elettriche sono costituiti quasi esclusivamente da nuclei di ferro o ferro legato con silicio (in quantità fino a circa il 4,5% in massa), e ciò non solo a causa del costo comparativamente più basso del ferro rispetto ad altri materiali m. dolci, ma anche a causa delle alte induzioni magnetiche che possono ottenersi nel ferro e nel ferro-silicio. Nelle applicazioni che comportano campi magnetici alternati si usa laminare il materiale; a frequenza di 50-60 Hz e con spessore dei lamierini inferiore a 0,4 mm l’effetto pelle è trascurabile e la magnetizzazione, in condizioni di operazioni normali, può in prima approssimazione ritenersi uniforme in tutta la lamina. I lamierini di Fe e Fe-Si usati nelle apparecchiature elettriche hanno un contenuto totale di impurità, escluso il silicio, minore di 0,4%. Un buon indice della loro qualità magnetica è dato dal valore della massima permeabilità relativa e dalle perdite per ciclo per una data induzione alternata. Il silicio ha l’effetto di aumentare la permeabilità della lega nella regione sotto il ginocchio della curva di magnetizzazione e di ridurre le perdite di isteresi per un dato valore di induzione massima. Per es., nelle fig. 1A e B sono mostrate rispettivamente le curve di magnetizzazione e i cicli d’isteresi di due tipi di lamierino Fe-Si (con Si al 3%) aventi entrambi spessore 0,3 mm, ma perdite specifiche di 1,7 W/kg (a) e 1,8 W/kg (b). Le curve sono state ricavate sottoponendo un provino di lunghezza media l=20 cm a un campo magnetico sinusoidale di frequenza 50 Hz.
Con opportuni processi di laminazione a freddo associati a ricottura è possibile produrre lamierini di Fe-Si con un alto grado di orientazione preferenziale dei cristalli; in tal modo, secondo la direzione di laminazione, il lamierino ha alta permeabilità e basse perdite per isteresi. Trattamenti termici in ambiente di idrogeno consentono poi di aumentare la purezza della lega, eliminando in gran parte il carbonio presente. In questo modo è possibile produrre lamierini Fe-Si a grani orientati, di costo non eccessivo e di proprietà magnetiche molto soddisfacenti.
Per la determinazione delle perdite dovute alla magnetizzazione in corrente alternata dei materiali ferromagnetici si utilizza un complesso normalizzato di apparecchiature, proposto da J. Epstein nel 1900 (apparecchio di Epstein). Tale apparecchio è costituito da quattro bobine a due strati, disposte secondo i lati di un quadrato; ciascuna bobina è destinata a contenere un pacco di lamierini del materiale ferromagnetico in esame; due pacchi di lamierini sono tagliati secondo la direzione di laminazione, due pacchi sono invece ortogonali a tale direzione. Gli strati esterni di ciascuna bobina, connessi in serie a formare il primario di un trasformatore, alimentano la bobina amperometrica di un wattmetro, quelli interni, connessi anch’essi in serie a formare il secondario del trasformatore, alimentano la bobina voltmetrica del wattmetro. Dal valore della potenza misurato dal wattmetro si risale all’indice di qualità del lamierino magnetico espresso in W/kg.
Leghe ferromagnetiche.- Una serie interessante e commercialmente importante di materiali ferromagnetici è ottenuta legando nichel e ferro insieme, in varie proporzioni. La magnetizzazione di saturazione ha un massimo quando il contenuto di nichel è circa del 50%. I materiali di tale tipo (permalloy, hipernik ecc.) sono usati prevalentemente per nuclei di trasformatori ad audiofrequenza; essi hanno permeabilità altissime, se hanno ricevuto un appropriato trattamento termico; l’addizione di tracce di certi metalli (in particolare cromo, manganese, molibdeno, silicio e specialmente rame) aumenta enormemente la loro permeabilità iniziale. Anche l’aggiunta di cobalto al ferro ha l’effetto di aumentare la magnetizzazione di saturazione; l’aggiunta di vanadio aumenta poi la malleabilità e la resistività elettrica (permendur).
Materiali m. duri
I materiali per magneti permanenti devono avere permeabilità massima relativamente piccola, campo coercitivo elevato, induzione residua abbastanza elevata, e quindi un ciclo d’isteresi piuttosto ampio, nonché buona resistenza meccanica. Hanno interesse l’induzione residua, Br, e il campo coercitivo, Hc: è necessario che tali parametri abbiano i più alti valori possibili. La parte della caratteristica B(H), cioè del ciclo d’isteresi, che ha importanza per le applicazioni di questi materiali, è quella che giace nel secondo quadrante, vale a dire quella relativa a valori negativi del campo magnetico H e positivi della induzione B. La fig. 2 riporta tali diagrammi per alcuni materiali m. duri; un parametro caratteristico di ciascun tipo è il valore massimo Q (in J/m3) del prodotto BH, che prende il nome di fattore di merito; esso è indice della bontà del materiale, in quanto dà conto della densità di energia magnetica del campo generato dal magnete, anche in presenza di campi smagnetizzanti.
Nella preparazione dei materiali duri si cerca di rendere piuttosto difficile il moto relativo dei domini, sia introducendo nel reticolo cristallino atomi di tipo diverso (impurità) sia sottoponendo i materiali stessi a trattamenti termici e meccanici che aumentino le tensioni elastiche interne e i difetti strutturali. I migliori materiali (come, per es., l’alnico 5) sono formati da grani di dimensioni sufficientemente piccole in modo da contenere un solo dominio; in tal caso la variazione di magnetizzazione può avvenire solo per rotazione della direzione di magnetizzazione del dominio.
Prima del 1932 i soli materiali disponibili per la fabbricazione di magneti permanenti erano gli acciai, caratterizzati da un campo coercitivo relativamente alto e da un’alta durezza meccanica. Tra i materiali oggi in uso vi sono le leghe contenenti ferro, nichel e alluminio, che sono indicate con il nome di leghe indurite per diffusione: per es., alnico, lega di Fe con Al, Ni, Co. Aumentando il contenuto di Co nelle leghe tipo alnico si ottiene un materiale che può essere reso fortemente anisotropo magneticamente raffreddandolo a partire da una temperatura di circa 1250 °C in un campo magnetico uniforme di intensità maggiore di 2400 A/m; nella direzione preferenziale (quella di tale campo) il fattore di merito, superiore a 20 kJ/m3, risulta triplicato rispetto al valore che si ottiene senza campo applicato durante il trattamento. Leghe così ottenute sono, per es., quelle indicate con i nomi commerciali alcomax e alnico 5.
Materiali m. duri migliori ma più costosi sono quelli costituiti da polvere di terre rare, legate per sintetizzazione mediante pressaggio, quali neodimio-ferro-boro e samario-cobalto. Il loro elevato campo coercitivo consente di lavorare con correnti anche elevate senza avere fenomeni di smagnetizzazione, mentre la forma lineare della caratteristica di smagnetizzazione permette di lavorare in qualunque punto della caratteristica stessa senza avere una riduzione dell’induzione residua. Vengono preparati in diverse forme con una protezione superficiale riguardo alla corrosione e a possibili shock meccanici. Nella tab. 2 sono indicate le proprietà di alcuni materiali per magneti permanenti.
Materiali m. isolanti
I materiali m. isolanti, destinati a lavorare a frequenze elevate (come, per es., quelli usati per le memorie magnetiche), devono avere piccole perdite per correnti parassite e quindi alto valore di resistività e sono perciò detti isolanti; essi, in particolare le ferriti, trovano numerose applicazioni industriali. Sotto il nome di ferriti sono comunemente indicati composti la cui formula chimica può essere considerata come proveniente dalla combinazione in diversi rapporti di uno o più ossidi metallici e Fe2O3. L’interazione magnetica, alla quale partecipano oltre al ferro gli altri ioni metallici che posseggono un momento proprio, è in generale di tipo ferrimagnetico e la grande varietà di metalli che possono entrare, anche in concentrazioni assai piccole come veri e propri droganti, a sostituire quelli presenti nella formula base, consentono di ottenere una gamma vastissima di materiali m. isolanti. Tra le ferriti occorre distinguere le ferriti-spinelli e le ferriti esagonali.
Ferriti-spinelli. - Hanno la formula generale M2+O•Fe23+O3 cioè M Fe2O4, ove M2+ è uno ione metallico bivalente (Fe2+, Ni2+, Cu2+, Mg2+ ecc.). La struttura cristallina è quella cubica degli spinelli in cui i cationi occupano sia siti circondati da quattro ioni ossigeno disposti a forma di tetraedro (siti tetraedrici), sia siti circondati da sei ioni ossigeno disposti a forma di tetraedro (siti tetraedrici), sia siti circondati da sei ioni ossigeno disposti a forma di ottaedro (siti ottaedrici). I momenti magnetici dei cationi appartenenti a un dato sito sono fra loro paralleli e antiparalleli ai momenti dei cationi appartenenti all’altro tipo di sito. In generale i momenti magnetici totali dei due siti non sono uguali e ciò dà luogo a ferrimagnetismo. Le ferriti-spinelli possiedono di solito una bassa conducibilità elettrica, che riduce le perdite per correnti parassite, mentre un inconveniente è costituito dal valore relativamente basso della frequenza di risonanza e dall’ampiezza del relativo picco, che ne limita fortemente l’uso alle frequenze delle microonde. Tuttavia, il basso costo e la relativa stabilità delle caratteristiche operazionali al variare della temperatura ne favoriscono un’estesa utilizzazione come componenti elettronici ad alta frequenza.
Un altro campo di applicazione delle ferriti-spinelli si ha nelle memorie a nuclei magnetici, in cui vengono utilizzati cicli di isteresi pressoché rettangolari; sono fondamentalmente usate ferriti di manganese, parzialmente sostituito con altri metalli allo scopo di ottenere i desiderati valori di saturazione, induzione residua, anisotropia e magnetostrizione, che costituiscono i parametri più importanti per un corretto funzionamento.
Ferriti esagonali. - La formula generale è A2+O•6Fe23+O3, cioè AFe12O19, ove A2+ è uno ione tipo Ba2+, Sr2+, Pb2+, La2+. I composti più noti di questo tipo sono PbFe12O19 (magnetoplumbite) e BaFe22O22. La struttura cristallografica è esagonale con gli ioni Fe3+ che occupano tre tipi di siti: a coordinazione tetraedrica, ottaedrica e di bipiramide trigonale. La struttura magnetica è fondamentalmente ferrimagnetica, mentre l’anisotropia magnetocristallina particolarmente elevata e l’alto campo coercitivo rendono le ferriti esagonali, e particolarmente quella di bario, estremamente adatte per magneti permanenti; queste ferriti sono perciò materiali m. duri. Interessanti sono anche le applicazioni alle alte frequenze.