In che modo la temperatura influisce sulla forza dei magneti

Modificando l’allineamento dei domini magnetici interni di un magnete, la temperatura ne influenza la forza magnetica. La forza aumenta alle basse temperature e diminuisce alle alte temperature. Con il riscaldamento, il maggiore movimento degli atomi del magnete indebolisce il campo magnetico e provoca il disallineamento dei domini magnetici.

Al contrario, il raffreddamento può aumentare la forza del magnete stabilizzando l’allineamento di questi domini. Nella sezione dedicata agli effetti della temperatura sui magneti verranno illustrati la definizione di temperatura di Curie, il modo in cui il calore può modificare la forza magnetica e ciò che accade alle temperature più basse.

Che cos’è la temperatura di Curie?

La temperatura di Curie (Tc) è il punto in cui un materiale magnetico perde tutte le sue proprietà magnetiche.

 La temperatura di Curie, che stabilisce la temperatura massima alla quale può essere alterato l’allineamento dei momenti magnetici, esprime la relazione tra magnetismo e temperatura. Questa temperatura prende il nome dal fisico Pierre Curie.

Ad esempio:,

• Per un magnete al neodimio è di circa 310 °C.
• Per un magnete in ferrite è di circa 450 °C.
• Per un magnete in samario-cobalto è di circa 750 °C.
• Per i magneti Alnico è di circa 880 °C.

Quando raggiunge il punto di Curie, un magnete perde le proprie proprietà e il successivo raffreddamento non ne ripristina la forza.

In che modo il freddo influisce sui magneti?

In generale, le temperature più basse aumentano la forza magnetica perché rallentano il movimento degli atomi, contribuendo a ripristinarne l’allineamento. Tuttavia, a temperature estreme i magneti possono diventare fragili, in particolare quando sono realizzati con materiali come il neodimio.

 Nei laboratori, i magneti superconduttori vengono spesso mantenuti a temperature criogeniche. In effetti, la maggior parte dei magneti è leggermente più forte e stabile alle temperature più basse; se la temperatura scende al di sotto di 125 °C, la forza magnetica diminuisce gradualmente.

Quando la temperatura scende a 196 °C, la forza magnetica raggiunge l’85-90%.

In che modo il calore influisce sui magneti?

I domini magnetici, costituiti da piccole sezioni di atomi legati tra loro, perdono il loro allineamento quando la temperatura aumenta a causa dell’energia termica. Di conseguenza, la forza magnetica diminuisce gradualmente. Se la temperatura aumenta eccessivamente, è difficile che i magneti non perdano le loro proprietà magnetiche.

Il processo è in parte simile al modo in cui il calore scioglie il ghiaccio. Una volta raggiunto un determinato punto, è difficile invertire il cambiamento. Il calore fa muovere più velocemente le molecole della cera, dotandole di una maggiore energia cinetica e facendole diventare più regolari.

Con l’aumentare della temperatura, queste molecole iniziano a perdere il loro allineamento, finché le loro estremità presentano cariche opposte e non sono più rivolte l’una verso l’altra in una disposizione a gabbia. Un magnete può recuperare la sua funzione originaria dopo il raffreddamento, se il calore a cui è stato sottoposto rimane al di sotto della sua temperatura massima di esercizio.

I diversi materiali magnetici reagiscono in modo diverso alla temperatura

Magneti diversi presentano comportamenti diversi a temperature e pressioni differenti. La struttura cristallina interna e la composizione delle sostanze determinano il loro comportamento. Esaminiamo la risposta dei materiali magnetici più comunemente utilizzati alle variazioni di temperatura.

Alnico

Numerose apparecchiature di consumo e industriali dipendono dai magneti permanenti in AlNiCo. I magneti in AlNiCo sono utilizzati, tra gli altri dispositivi, nei magneti per bovini, nei tubi a onda progressiva, nei motori elettrici, nei pickup per chitarra elettrica, nei microfoni, nei sensori e negli altoparlanti.

Tuttavia, i magneti alle terre rare sono attualmente utilizzati in molti oggetti perché possono generare un BHmax elevato e un forte campo magnetico (Br), consentendo la miniaturizzazione degli oggetti.

SmCo

Una caratteristica ben nota dei magneti in samario-cobalto è la loro eccezionale stabilità termica. Anche a temperature fino a 350 °C, non si indeboliscono in modo significativo.

NdFeB

I magneti permanenti più potenti disponibili sul mercato sono i magneti al neodimio. Sebbene siano i più sensibili alla temperatura. I tipi avanzati (come N42SH o N52VH) possono funzionare fino a 230 °C, ma i gradi perdono potenza oltre 80 °C.

Non sono adatti a condizioni di calore estremo, poiché subiscono una smagnetizzazione irreversibile oltre i loro limiti.

Ferrite

I magneti in ferrite sono economici e di uso comune. Sono costituiti da ossido di ferro e bario oppure stronzio. Il loro magnetismo si riduce leggermente a temperature inferiori al punto di congelamento.

Tuttavia, funzionano bene fino a 250 °C. Poiché rappresentano un compromesso tra costo e affidabilità, sono preferiti per applicazioni quali altoparlanti e magneti da frigorifero.

Perdita di ~0.11% per °°C (reversibile al di sotto della temperatura massima di esercizio)

Quando la temperatura di esercizio è inferiore al valore massimo, i magneti perdono in genere circa 0.11% della loro intensità magnetica per ogni grado Celsius. Tale perdita è reversibile: raffreddandosi, il magnete recupera l'intensità magnetica originaria.

 Tuttavia, se la temperatura supera l'intervallo nominale, una parte della perdita è irreversibile. La scelta del grado magnetico adatto all'applicazione è fondamentale per evitare una smagnetizzazione irreversibile.

Temperatura nominale per grado (ad es. VH/AH fino a ~230 °C)

Ogni magnete ha una specifica temperatura nominale, determinata dal grado e dalla composizione del materiale. I magneti al neodimio (NdFeB), ad esempio, sono classificati in gradi quali N95, N42 e N35.

Ogni grado prevede un intervallo massimo di temperatura di esercizio. In genere, tale intervallo è compreso tra 80 °C e 230 °C per le tipologie speciali per alte temperature, quali VH (molto elevata) e AH (ulteriormente elevata). Se questi limiti vengono superati, il magnetismo può andare perso in modo irreversibile.

Cosa accade ai magneti alle alte temperature?

Quando i magneti sono esposti ad alte temperature, possono verificarsi due effetti.

Perdita reversibile:

Quando il processo di riscaldamento rimane al di sotto della temperatura massima di esercizio, la variazione della magnetizzazione è reversibile. Ciò dimostra che il materiale diventa comunque meno magnetico quando viene riscaldato. A causa dell'agitazione termica provocata dall'aumento della temperatura, i domini perdono parte del loro allineamento.

Dopo il raffreddamento, un magnete può recuperare la propria forza, purché la temperatura del foglio rimanga al di sotto di una determinata soglia, nota anche come temperatura di Curie o punto di Curie.

Se esposto a calore moderato, il magnete può indebolirsi temporaneamente. Questo fenomeno è chiamato danno reversibile.

Perdita irreversibile (e perdita permanente)

Quando un magnete è esposto a temperature superiori alla propria temperatura massima di esercizio ma inferiori alla temperatura di Curie, si verifica una perdita irreversibile di magnetismo.

Ciò significa che:

● A freddo, le prestazioni saranno inferiori.

Quale temperatura è eccessiva per i magneti al neodimio?

I magneti al neodimio (NDFEB) sono i magneti permanenti più potenti disponibili sul mercato. Sono quindi anch'essi sensibili alla temperatura. I gradi standard, come N35 o N52, iniziano generalmente a perdere magnetismo a 80 °C (176 °F).

Quando la temperatura supera il limite, l'efficienza del magnete diminuisce rapidamente e potrebbe non recuperare completamente dopo il raffreddamento.

Quando raggiunge la temperatura di Curie, un magnete subisce una trasformazione permanente. A questa temperatura perde tutte le proprietà magnetiche, in funzione della composizione del materiale. Per i magneti al neodimio, questo punto è generalmente compreso tra 310 °C e 400 °C (590 °F e 752 °F).

La temperatura massima di esercizio dipende dalla forma (coefficiente di permeanza).

La forma e la progettazione di un magnete influiscono sulla quantità di calore che può sopportare. Il termine “coefficiente di permeanza” (Pc) indica questo fattore.

Un magnete con un coefficiente di permeanza più elevato presenta quindi un campo magnetico più stabile. Ad esempio, un cilindro più spesso può conservare meglio il proprio magnetismo quando viene riscaldato.

Al contrario, a temperature più elevate, i magneti più sottili o più piccoli con valori PCO inferiori hanno maggiori probabilità di smagnetizzarsi.

Gradi per alte temperature (ad es. N42SH, N35AH)

Sono stati sviluppati speciali gradi di magneti al neodimio per alte temperature, in grado di risolvere i problemi di sensibilità al calore.

Anche in condizioni gravose, questi gradi possono mantenere le loro elevate proprietà magnetiche grazie all'impiego di leghe e malte modificate:

• La temperatura di esercizio del N42SH è di 150 °C (902 °F).
• Temperature fino a 200 °C (392 °F) possono essere sopportate dal N35EH.
• 230 °C può resistere a temperature fino a 35AH (446 °F).

Sebbene questi gradi per alte temperature possano avere proprietà magnetiche inferiori rispetto ai gradi standard, sono ideali per applicazioni gravose, come motori elettrici e sensori per il settore automobilistico, poiché mantengono la magnetizzazione quando vengono riscaldati.

È possibile ripristinare il magnetismo alla sua intensità originaria, ma non è economicamente conveniente. La perdita irreversibile si verifica una sola volta.

Conclusione

I magneti risentono notevolmente della temperatura; al di sopra del punto di Curie, i magneti permanenti, come quelli in ferro o al neodimio, perdono completamente la loro forza magnetica. L'intensità del loro campo aumenta al diminuire della temperatura.

Due to their reduced electrical strength, electromagnets eventually lose their strength as they overheat. Superconducting electromagnets are therefore enhanced by cooling to very high

fields.

Temperature must be carefully managed. Magnetism is maintained by keeping the permanent magnet away from extreme heat. Strong magnetic fields are made possible by cooling electromagnets.

New magnetic applications in science, engineering, and medicine can be opened up by using heat and boundaries.

Domande frequenti