unità SI | senza unità |
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Dimensione | |
Natura | Tensore di taglia intensivo |
Simbolo abituale | χ m o semplicemente χ |
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La suscettibilità magnetica di un materiale visto come un mezzo continuo è una grandezza adimensionale che caratterizza la facoltà di questo materiale di magnetizzarsi sotto l'effetto di un'eccitazione magnetica .
La suscettibilità magnetica è generalmente indicata dal simbolo , o semplicemente se non c'è ambiguità con la suscettività elettrica nel testo.
Un materiale macroscopico è composto a livello microscopico da atomi legati tra loro, ognuno di questi atomi può essere visto come un magnete elementare se si è interessati solo alle proprietà magnetiche. Quando un materiale è sottoposto a un campo magnetico esterno, la sua struttura microscopica interagisce con questo campo che penetra nel materiale. Ciascuno dei magneti elementari può tendere ad allinearsi con questo campo oa resistergli, la risposta dipende a livello microscopico dalla natura degli atomi e dalle forze di legame che li legano. La suscettibilità magnetica può quindi essere vista come il "grado di risposta" del materiale al campo magnetico applicato:
Qualsiasi materiale, se può essere visto come un mezzo continuo ed omogeneo, ha un campo magnetico omogeneo che si scrive nella forma:
dove rappresentano campi vettoriali le cui norme sono:
Per semplificare, consideriamo una sola direzione dei campi o quindi un caso isotropo in cui tutti i valori sono uguali qualunque sia la direzione. In questo caso, le quantità vettoriali possono essere sostituite dalle loro norme. Se partiamo da un campo applicato debole H , possiamo esprimere M come l'inizio di uno sviluppo limitato all'ordine 1 (dove i termini non lineari sono trascurabili):
che può essere abbreviato ino :
Se la magnetizzazione permanente del materiale è zero ( ), e i valori di M e H sono misurati abbastanza vicini a 0 perché lo sviluppo limitato dell'ordine 1 sia valido, allora M diventa una funzione lineare di H e la suscettività magnetica χ m del mezzo o del materiale considerato è un coefficiente di proporzionalità:
Questa formula approssimativa è comunemente usata nel caso di mezzi diamagnetici e paramagnetici e ferromagnetici per valori di campo applicati H molto al di sotto del livello di saturazione .
Inoltre, questa approssimazione semplifica notevolmente la formula di partenza:
Otteniamo quindi:
Impostando , dove è denominata la “ permeabilità magnetica relativa” del materiale, si ottiene la semplice formula:
dove è la “ permeabilità magnetica assoluta” del materiale.
La formula è ampiamente utilizzata ma non è universale ed è valida solo nell'ipotesi di un mezzo lineare, omogeneo e isotropo. Ad esempio, nel caso di un mezzo non lineare, compaiono i fenomeni di isteresi e la relazione è valida solo intorno al punto 0, dove l'ipotesi di linearità del mezzo è una ragionevole approssimazione. Nel caso di un materiale non isotropo, non è più un numero e deve essere sostituito da una matrice 3*3. Nel caso di un materiale disomogeneo, il prodotto semplice deve essere sostituito da un prodotto di convoluzione spaziale, non più un semplice numero ma una funzione dipendente dalla posizione dello spazio all'interno del materiale.
La suscettibilità magnetica χ m fornisce un'indicazione del comportamento magnetico del corpo studiato.
La suscettibilità magnetica è generalmente molto sensibile alla temperatura.
In un corpo diamagnetico a riposo, i momenti magnetici hanno direzioni casuali che si compensano a vicenda: non c'è magnetizzazione. In presenza di un campo magnetico esterno, un effetto quantistico - paragonabile all'induzione elettromagnetica - induce la magnetizzazione nella direzione opposta a questo campo magnetico esterno, che corrisponde alla suscettività magnetica negativa. Questo effetto si verifica in tutti i materiali, ma in materiali diversi dal diamagnetico è camuffato da altri effetti, di intensità molto maggiore ( paramagnetismo , ferromagnetismo , ecc. )
La suscettibilità magnetica dei corpi diamagnetici dipende molto poco dalla temperatura.
In un corpo paramagnetico a riposo, i momenti magnetici hanno direzioni casuali che si compensano a vicenda: non c'è magnetizzazione. Applicando l'eccitazione esterna, si allineeranno con essa. Tuttavia, richiederà un campo esterno più forte rispetto al caso di un corpo ferromagnetico perché richiede energia sufficiente per forzare i momenti magnetici ad allinearsi e rimanere nella stessa direzione.
Come nei corpi ferromagnetici, un'eccessiva agitazione termica impedisce ai momenti magnetici di allinearsi con l'eccitazione esterna. Un corpo paramagnetico obbedisce a una legge di Curie : la suscettività magnetica è proporzionale all'inverso della temperatura.
In un corpo ferromagnetico a riposo, i momenti magnetici degli atomi sono tutti allineati in una certa direzione (con conseguente magnetizzazione spontanea). Interagiscono tra loro per mantenere questo orientamento. Applicando un'eccitazione magnetica esterna, i momenti magnetici ruoteranno per seguire la direzione dell'eccitazione.
Riscaldando un corpo ferromagnetico, l'ordine che prevaleva nei momenti magnetici viene disturbato: l'agitazione termica impedisce l'allineamento dei momenti (sia spontaneamente che con l'eccitazione esterna), il che diminuisce la suscettività magnetica. Da una certa temperatura (temperatura di Curie ), i momenti magnetici sono così agitati che non c'è più direzione preferenziale e quindi non più magnetizzazione: il corpo acquisisce un comportamento paramagnetico. Il corpo segue quindi una legge di Curie : la suscettibilità è proporzionale all'inverso della temperatura.
La suscettibilità dei corpi ferrimagnetici e antiferromagnetici è generalmente inferiore a quella dei corpi paramagnetici. Infatti, oltre a imporre una direzione, l'eccitazione esterna deve essere sufficiente a rompere l'ordine antiparallelo dei momenti magnetici.
Sebbene la sua suscettività magnetica iniziale sia molto più bassa, un corpo ferrimagnetico si comporta in modo simile a un corpo ferromagnetico. Riscaldandolo, viene disturbato l'ordine che regnava nei momenti magnetici: l'agitazione termica impedisce l'allineamento dei momenti (sia spontaneamente che con l'eccitazione esterna), il che diminuisce la suscettività magnetica. Da una certa temperatura (temperatura di Curie ), i momenti magnetici sono così agitati che non c'è più direzione preferenziale e quindi non più magnetizzazione: il corpo acquisisce un comportamento paramagnetico. Il corpo segue quindi una legge di Curie : la suscettibilità è proporzionale all'inverso della temperatura.
Un corpo antiferromagnetico reagisce alla temperatura in due fasi. Un aumento dell'agitazione termica aiuta a rompere l'ordine antiparallelo, che aumenta la suscettività magnetica. Continua ad aumentare fino a raggiungere la temperatura di Néel (equivalente alla temperatura di Curie). Quando viene raggiunta questa temperatura critica, i momenti magnetici sono completamente disordinati, il corpo diventa paramagnetico. Oltre la temperatura di Néel , la suscettività magnetica inizierà a diminuire seguendo la seguente relazione:
Questa tecnica si basa sulla seguente equazione:
Un'eccitazione esterna nota viene applicata a un campione da studiare e la magnetizzazione viene misurata utilizzando il magnetometro. Abbiamo quindi dedurre la suscettibilità magnetica χ m . Questa relazione non è più valida se H è troppo grande: la magnetizzazione M del materiale si satura e diventa costante.
Materiale | χ m | T c |
---|---|---|
Bi | -16,9 × 10 -5 | |
VS | -2,1 × 10 -5 | |
acqua | -1,2 × 10 -5 | |
Cu | -1,0 × 10 -5 | |
vuoto | 0 | |
O 2 | 0,19 × 10 -5 | |
Al | 2,2 × 10 -5 | |
Co | 70 | 1.131 °C |
O | 110 | 372 °C |
Fe | 200000 | 774 °C |