Fogli magnetici, Nastri magnetici, Fogli metallici, Calamite, Distanziali, Sistemi espositivi su cavi e astine

IL MAGNETISMO

NOZIONI GENERALI SUL MAGNETISMO

  1. Cos’è il magnetismo

  2. Cos’è un magnete permanente

  3. Come si può vedere il campo magnetico

  4. Cosa fa un magnete

INFORMAZIONI TECNICHE

  1. Come si producono i magneti

  2. Quali tipi di magnete sono disponibili

  3. Che differenza c’è tra un magnete e un elettromagnete

  4. Cos’è il polo magnetico

  5. Come si identificano i poli magnetici

  6. Cos’è la magnetizzazione

  7. Cos’è la forza di attrazione

  8. Cos’è il flusso magnetico

  9. Quali caratteristiche definiscono un magnete permanente

  10. Cos’è la rimanenza magnetica

  11. Cos’è la forza coercitiva

  12. Cos’è il prodotto massimo di energia

  13. Cos’è la temperatura massima di esercizio e gli effetti della temperatura sui magneti

  14. Che differenza c’è tra un magnete anisotropo e isotropo

  15. Quali materiali utilizzare per schermare un campo magnetico

PRESTAZIONI E IMPIEGHI DEI MAGNETI

  1. Quali sono i magneti più potenti

  2. Unendo due magneti si ottiene la stessa forza di attrazione di uno di pari dimensioni

  3. Aumentare la forza di attrazione di un magnete

  4. Dove si manifesta la maggiore forza di attrazione in un magnete

  5. Perdita delle caratteristiche magnetiche

  6. Quanto si riduce la forza di attrazione con la distanza di lavoro

  7. Incollare i magneti

  8. Tagliare e forare i magneti

 


 

NOZIONI GENERALI SUL MAGNETISMO

1. Cos’è il magnetismo?

E’ la scienza che tratta i fenomeni magnetici.

Gli antichi cinesi e greci scoprirono che certe pietre naturali come la magnetite, erano in grado di attrarre piccoli pezzi di ferro e, se lasciate libere di muoversi, sospese ad un filo o lasciate galleggiare sull’acqua, si orientavano sempre nella stessa direzione.

I primi navigatori usarono questi magneti naturali come aiuto nel determinare la direzione di navigazione in mare, nacque così la bussola.

Il nome Magnete, trova la propria origine da Magnesia, località dell’Asia minore situata nell’attuale Turchia, dove fu estratta per la prima volta la magnetite.

Nel corso degli anni i magneti si sono evoluti in materiali forti e resistenti come quelli oggi disponibili.

Tutto ciò è stato possibile attraverso la scoperta che determinati materiali ferromagnetici combinati insieme possono diventare magnetici attraverso l’applicazione di un forte campo magnetico esterno.

Il primo magnete prodotto dall’uomo risale al 18° secolo, ma è solo nel 1920 che la ricerca portò a realizzare leghe forti e prestanti, come i magneti in Alnico, lega di nichel alluminio e cobalto. La scoperta della Ferrite invece risale agli anni ’50 e quella dei magneti a Terre Rare agli anni ’70.

Da allora la scienza del magnetismo è progredita in maniera esponenziale sviluppando materiali magnetici estremamente potenti che hanno reso possibile all’industria di utilizzarli per produrre dispositivi sempre più piccoli e potenti.

 

 

2. Cos’è un magnete permanente?

Un magnete è un corpo che genera un campo magnetico nello spazio circostante e si definisce permanente se questa caratteristica perdura nel tempo.

Tutte le sostanze reagiscono in qualche modo alla presenza di un campo magnetico, ma ci sono materiali che reagiscono in modo più intenso e sono definiti Ferromagnetici.

Alcuni esempi sono ferro, nichel, cobalto, alcune leghe di terre rare. Questi materiali, che vengono fortemente attratti da una calamita, se sottoposti a un campo magnetico esterno molto intenso si magnetizzano e diventano magneti permanenti.

Il magnete permanente è composto da atomi che magnetizzati si dispongono in microscopiche unità formate da milioni di particelle chiamate Domini Magnetici. Ciascun dominio è un magnetino elementare con un suo campo magnetico , una volta magnetizzato i domini si orientano nella stessa direzione, maggiore è l’ordine di allineamento, maggiore è il campo magnetico generato dal magnete permanente.

 

 

3. Come posso vedere il campo magnetico?

Le linee di flusso del campo magnetico si propagano tridimensionalmente intorno al magnete.

Magnetismo

Per vedere ad occhio nudo parte del campo magnetico si può usare un foglio di carta sul quale mettere della polvere di ferro, avvicinando il magnete al di sotto del foglio le particelle ferrose si disporranno secondo le linee del campo magnetico.

 

 

4. Cosa fa un magnete?

Un magnete può:

  • Attrarre certi materiali come ferro, nichel e leghe composite

  • Attrarre/respingere un altro magnete (poli opposti/poli uguali)

  • Avere effetti su conduttori percorsi da corrente elettrica

  • Avere un effetto sul percorso di cariche elettriche libere

     

Secondo questi assunti i magneti hanno dunque la capacità di trasformare energia da una forma all’altra, senza che esso perda la propria energia magnetica, alcuniesempi:

  • Trasformare energia meccanica in meccanica: effetti di attrazione e repulsione tra magneti.

  • Da energia meccanica in elettrica: generatori di corrente.

  • Da energia elettrica in meccanica: motori elettrici, altoparlanti.

  • Da energia meccanica in calore: freni magnetici

  • Effetti speciali su cariche elettriche in movimento: sensori effetto Hall, risonanza magnetica.

Le applicazioni sono innumerevoli e in continua evoluzione e fanno ormai parte della nostra quotidianità.

 


 

INFORMAZIONI TECNICHE

1. Come si producono i magneti?

Le moderne tecnologie consentono la produzione delle diverse tipologie di magneti mediante vari processi, processo di fusione, di pressatura e sinterizzazione, di stampaggio a iniezione e compressione, di estrusione , di calandratura.

Alcuni esempi:

  • Fusione (Alnico)

  • Pressatura e sinterizzazione (Terre rare, Ferrite)

  • Stampaggio a iniezione e compressione (Terre rare e Ferrite)

  • Estrusione ( Profili Plastoterrerare e Plastoferrite)

  • Calandratura ( Fogli flessibili Plastoneodimio, Plastoferrite)

Alcune delle fasi del processo produttivo, per esempio le operazioni di Pressatura, di Iniezione, di Estrusione ecc., possono essere effettuate in presenza di un campo magnetico, i domini vengono orientati in una stessa direzione preferenziale e si ottengono magneti Anisotropi.

Se invece avvengono senza campo magnetico i domini non hanno un orientamento preferenziale si ottengono magneti Isotropi. In base alla tipologia del magnete che si produce sono necessarie ulteriori lavorazioni per ottenere le caratteristiche dimensionali e di finitura richieste.

 

 

2. Quali tipi di magnete sono disponibili?

Le principali categorie di magneti permanenti sono :

  • Ferrite sinterizzata e Plastoferrite
  • Alnico, lega costituita da alluminio-nichel-cobalto
  • Terre rare, delle quali le maggiormente significative sono:
    • Lega di samario-cobalto (SmCo)
    • Lega di neodimio-ferro-boro (NdFeB) e Plastoneodimio

 

I magneti in Ferrite sinterizzata sono caratterizzati da un basso valore di induzione residua Br, ma rispetto ai magneti in terre rare da un'alta resistenza alla smagnetizzazione, a elevate temperature di esercizio e agli agenti chimici.

I magneti in Pastoferrite sono composti da polveri di ferrite e polimero plastico e possono essere flessibili.

I magneti in Samario Cobaltosinterizzato (SmCo) presentano le migliori proprietà magnetiche e costanza delle prestazioni ad elevate temperature di esercizio.

I magneti in Neodimio sinterizzato offrono le maggiori caratteristiche magnetiche rispetto ad ogni altro tipo di magnete attualmente sul mercato.

I magneti in Plastoneodimio sono composti da polveri di NdFeB e polimero plastico e possono essere flessibili.

 

Tabella comparative delle principali caratteristiche di alcune tipologie di magneti:

Tabella

 

 

3. Che differenza c’è tra un magnete e un elettromagnete?

Un elettromagnete è un particolare tipo di magnete composto da un nucleo centrale di materiale ferromagnetico, solitamente ferro dolce, avvolto in una bobina, al passaggio della corrente elettrica nelle spire si crea un campo magnetico che per induzione magnetizza il nucleo. L'intensità del campo magnetico dipende dall'intensità della corrente e dal numero di spire della bobina. La disposizione delle polarità nel nucleo magnetizzato dipendono dalla direzione di circolazione della corrente nella bobina. Il nucleo di ferro perde le caratteristiche magnetiche alla cessazione della corrente elettrica. Tra le varie applicazione di elettromagneti, troviamo i motori elettrici, i treni a levitazione magnetica, televisioni, computer, telefoni ecc.

 

 

4. Cos’è il polo magnetico?

Il polo magnetico (Nord o Positivo e Sud o Negativo) è la superfice dalla quale escono le linee di flusso del campo magnetico e curvandosi ritornano all’altro polo del magnete, formando un circuito chiuso. Per convenzione le linee di flusso vanno dal polo Nord al polo Sud.

 

 

5. Come posso identificare il polo magnetico?

Ci sono diversi modi per identificare il polo di un magnete, il più semplice è l’utilizzo di una bussola o di un analogo strumento digitale.

Avvicinando la bussola al magnete l’ago indicherà il polo Sud del magnete. 

 

 

6. Cos’è la magnetizzazione?

Molto importante ai fini della scelta del magnete è anche il tipo di magnetizzazione che questo presenta.

Essa viene effettuata sottoponendo il magnete ad un elevato campo magnetico esterno e per induzione questo si magnetizza. L’intensità del campo magnetizzante deve essere superiore di circa 3 volte il valore della caratteristica della coercitività (resistenza alla magnetizzazione e smagnetizzazione) del magnete.

Per questa operazione si utilizzano i Magnetizzatori, apparecchiature di vario tipo in grado di generare campi magnetici di elevata intensità, che convogliati in particolari bobine di magnetizzazione, magnetizzano il magnete nella direzione del campo applicato.

 

Le principali forme di magnetizzazione sono le seguenti:    

 

Magentizzazione

 

 

7. Cos’è la forza di attrazione?

Calcolare la forza di attrazione o repulsione tra due magneti è, in generale, un'operazione estremamente complessa, che dipende dalla forma, dal grado di magnetizzazione, dall'orientamento e dalla distanza dei due magneti. La forza di attrazione indicata sulle nostre tabelle in Kg si intende la forza necessaria da applicare perpendicolarmente al magnete per staccarlo da una superficie di ferro dolce quando questo si trova a contatto. Se la forza viene applicata nella direzione parallela alla superficie di contatto, il valore indicato si riduce notevolmente ed è anche condizionato dalla forza di attrito che si esercita tra la superficie del magnete e quello della piastra di metallo.

 

 

8. Cos’è il flusso magnetico?

E’ il flusso del campo magnetico B attraverso una superficie A, esso dipende dall’angolo delle linee di campo e dalla permeabilità magnetica e dalla grandezza della superficie stessa. 

Flusso

 

 

9. Quali caratteristiche definiscono un magnete permanente?

I magneti permanenti sono caratterizzati da tre principali proprietà, che si rilevano dal ciclo d’isteresi del materiale:

Magnete

Induzione Residua o Rimanenza Br

• Forza Coercitiva Hc

• Massimo prodotto di energia (BH)max

 

 

10. Cos’è la rimanenza o l’ induzione magnetica?

La rimanenza o Induzione magnetica (Br) è il valore dell’induzione B che rimane in un magnete dopo l’operazione di magnetizzazione, quando il campo magnetizzante si annulla.

Tanto più elevato è questo valore, tanto più il magnete è potente. L’unità di misura dell’induzione magnetica è il Tesla (T) oppure il Gauss (G).

 

 

11. Cos’è la forza coercitiva?

La forza coercitiva (Hc) è l'intensità di campo necessaria a smagnetizzare completamente un magnete.

Ne consegue che più questo valore è alto, più un magnete sarà in grado di mantenere la propria magnetizzazione quando viene esposto ad un campo smagnetizzante di segno opposto.

Come unità di misura si usa l'A/m (Ampere su metro) e l’Oe (Oersted). 

 

 

12. Cos’è il prodotto massimo di energia?

Il prodotto massimo di energia (BxH)max identifica e quantifica la massima energia magnetica immagazzinabile nel magnete.

L’ unità di misura è il kJ/m³ (KiloJoule su metro cubico) oppure il MGOe (Mega-Gauss-Oersted).

 

 

13. Cos’è la temperatura massima di esercizio e gli effetti della temperatura sui magneti ?

La temperatura massima di esercizio è quella indicata per ciascuna tipologia di magneti entro la quale le caratteristiche magnetiche non subiscono variazioni sostanziali.

Gli effetti della temperatura di esercizio sulle caratteristiche magnetiche sono di tre tipi:

 

  1. Perdite reversibili: se la temperatura non supera la temperatura massima di esercizio si hanno delle lievi perdite che si annullano riportando il magnete alla temperatura ambiente.

  2. Perdite irreversibili ma recuperabili: se la temperatura supera la temperatura massima di esercizio, ma rimane al di sotto della temperatura di Curie delle varie tipologie di magneti, questi si smagnetizzano ma possono recuperare le perdite con un’ulteriore operazione di magnetizzazione.

  3. Perdite irreversibili: se la temperatura supera la temperatura di Curie, i magneti perdono completamente le caratteristiche magnetiche e non sono recuperabili.

 Magnetismo

 

Nella tabella non sono indicati i magneti con componente plastico e flessibili, in quanto il legante plastico cambia il suo stato prima che avvengano le variazioni metallurgiche delle particelle magnetiche che conferiscono a queste tipologie di magneti le caratteristiche magnetiche.

Sottoponendo i magneti a temperatura sotto lo 0°C , le caratteristiche magnetiche sono soggette a variazioni. In generale i magneti Neodimio sinterizzato non vengono danneggiati fino a temperature di -196 °C. I magneti in Ferrite sinterizzata perdono in modo permanente una parte della loro magnetizzazione a temperature inferiori a -40°. I nastri e i fogli magnetici flessibili perdono in modo permanente una parte della loro magnetizzazione a temperature inferiori a -20°.

 

 

14. Che differenza c’è tra un magnete anisotropo e isotropo?

Alcune delle fasi del processo produttivo, per esempio le operazioni di Pressatura, di Iniezione, di Estrusione ecc., possono essere effettuate in presenza di un campo magnetico, i domini vengono orientati in una stessa direzione preferenziale e si ottengono magneti Anisotropi.

Se invece avvengono senza campo magnetico i domini non hanno un orientamento preferenziale e si ottengono magneti Isotropi.

Con la successiva operazione di magnetizzazione i magneti Anisotropi esprimono caratteristiche magnetiche superiori rispetto ai magneti Isotropi.

 

 

15. Quali materiali si possono utilizzare per schermare un campo magnetico?

Non esiste un materiale che possa bloccare un campo magnetico ma è possibile schermarlo inserendo il magnete, o i magneti, in un contenitore di lamiera di ferro che creando un cortocircuito magnetico indirizza le linee del campo dal polo N al polo S del magnete, cioè si realizza un campo magnetico chiuso all’interno del contenitore. Importante è lo spessore della lamiera di ferro per contenere completamente il campo all’interno della scatola metallica e non avere effetti magnetici all’esterno di questa.

 


 

LE PRESTAZIONI E GLI IMPIEGHI DEI MAGNETI

 

1. Quali sono i magneti più potenti?

I magneti più potenti disponibili oggi sul mercato sono i magneti a Terre Rare, di questi il maggiore è il tipo Neodimio-Ferro-Boro . Tuttavia, per impieghi a temperature superiori a 200 °C, i magneti Samario-Cobalto presentano le migliori prestazioni.

 

 

2. Unendo insieme due magneti ottengo la stessa forza di attrazione di uno unico grande?

Due magneti sovrapposti, per esempio dischi o blocchi, si può ritenere che sviluppino le stesse caratteristiche di uno unico delle stesse dimensioni. Nel caso in cui il magnete della grandezza desiderata non sia disponibile, si può perciò considerare l'alternativa di utilizzare una combinazione di più magneti per ottenere le dimensioni del magnete unico richiesto.

 

 

3. Posso aumentare la forza di attrazione di un magnete?

Quando un magnete è completamente magnetizzato ha raggiunto il proprio massimo arrivando a saturazione e non può ulteriormente migliorare le prestazioni magnetiche.

 

 

4. Dove si manifesta la più elevata forza di attrazione in un magnete?

Il campo magnetico generato da ogni magnete è sempre maggiore dove si trovano i poli magnetici. La forza magnetica generalmente si equivale nei poli Nord e Sud.

 

 

5. Un magnete può perdere la propria forza di attrazione?

Un magnete permanente, se conservato e utilizzato in condizioni di lavoro ottimali, manterrà il suo magnetismo per definizione permanente. Per condizioni di lavoro ottimali si intende non utilizzare il magnete a temperature superiori alla sua temperatura massima di esercizio, non sottoporlo a forti campi smagnetizzanti, mantenere integro il rivestimento superficiale per esempio nei magneti Neodimio sinterizzato.

 

 

6. Quanto si riduce la forza di un magnete a distanza?

Quando un magnete non è a contatto diretto con una superficie ferromagnetica o di un altro magnete, la capacità di attrarre e respingere diminuisce in maniere esponenziale in relazione alla distanza tra questi.

 

 

7. Come posso incollare un magnete?

I magneti sinterizzati ( Neodimio, Ferrite ecc) possono essere fissati utilizzando adesivi a base di resina epossidica su metallo, vetro, porcellana, ceramica, legno, cartone, pietra e calcestruzzo, gomma, plastiche indurite.

I magneti flessibili (Fogli, Profili) sono disponibili con biadesivo acrilico per il fissaggio su superfici metalliche, pannelli di plastica, vetro ecc.

 

 

8. Posso tagliare o forare un magnete?

I magneti flessibili con componente plastico (Fogli, Profili) possono essere facilmente tagliati o forati.

I magneti sinterizzati ( Terre rare, Ferriti) richiedono tecniche e attrezzature speciali pertanto è assolutamente sconsigliato di farlo se non con il supporto di personale specializzato.