perdite di energia

NATURA DEL MAGNETISMO

Il magnetismo è dovuto a cariche elettriche in movimento; si ipotizza che questo valga anche a livello atomico.

Nei materiali ferromagnetici gruppi di elettroni, i domini, ruotano con lo stesso verso (spin) e su assi paralleli.

Quando il materiale non è magnetizzato, i domini, casualmente disposti, si annullano a vicenda.

In presenza di magnetismo esterno gli assi dei domini si allineano e all'azione esterna si aggiunge quella interna.

E' opportuno quindi distinguere tra campo magnetico esterno applicato, u0 H, e contributo interno: la somma fornisce l'induzione magnetica totale B.

In un solenoide di N spire avvolte in un materiale di permeabilità u, facendo circolare una corrente I si ha:

B=u NI/l

Se la permeabilità fosse costante B sarebbe direttamente proporzionale a NI/l.

Purtroppo non è così perchè il materiale, nel quale si crea il fenomeno magnetico rappresentato da B, presenta un comportamento non lineare rispetto ad I.

Allora, per separare gli effetti del materiale dai parametri geometrici e dalla corrente si preferisce definire un nuovo vettore H, detto vettore campo magnetico, di intensità NI/l, direzione e verso di B; si misura in Asp/m

Si ottiene B=u H.

In funzione del valore della permeabilità u, i materiali si distinguono in:

diamagnetici, u < u0 anche se di poco (acqua, rame, oro...); respingono le linee di forza.
paramagnetici, u prossimo u0 ( aria, alluminio..); attraggono poco le linee.
ferromagnetici, u >> u0 ( ferro, cobalto, nichel e composti..); concentrano su di loro le linee che non vengono disperse all'esterno. Per ottenere permeabilità elevate il materiale deve essere puro e monocristallino. Questo riduce la durezza meccanica e spesso questi materiali si dicono dolci

PERDITE DI ENERGIA PER ISTERESI

Per i materiali non ferromagnetici u è sostanzialmente costante e il legame B@H è una retta di piccola pendenza: i valori di B che si ottengono sono molto bassi.

Per ottenere B elevati con correnti piccole è necessario avvolgere il solenoide su materiali ferromagnetici.

In questi casi il legame tra B e H è una curva con isteresi, cioè in cui il percorso per valori crescenti di H è diverso da quello per valori decrescenti: il materiale risente delle sollecitazioni precedenti.

La curva di prima magnetizzazione si spiega considerando che per valori piccoli di H il contributo interno dei domini è notevole e quasi direttamente proporzionale; al crescere di H, dopo che i domini sono tutti allineati, l'aumento del contributo interno termina e si hanno piccoli incrementi dovuti solo ad H: si dice che il materiale satura.

I fenomeni più rilevanti, per entrambi i versi di applicazione di H, sono:

saturazione: aumentando H oltre il valore limite Hs, B non supera Bs; quindi è inutile eccedere con la corrente.
induzione residua: riazzerando H, il materiale rimane magnetizzato con un valore di Br residuo
campo magnetico coercitivo: per eliminare il Br bisogna applicare un Hc coercitivo di verso opposto.
area del ciclo: è associata all'energia necessaria per magnetizzare e smagnetizzare in un ciclo il materiale; si parla di perdite per isteresi e si conclude che nei sistemi in ca, 50 Hz = 50 cicli di magnetizzazione al secondo!, bisogna utilizzare materiali magnetici con area piccola (ferro-silicio e altri materiali magnetici dolci), quindi con cicli stretti o limitati valori per Hc e Br

PERDITE DI ENERGIA PER CORRENTI PARASSITE

Flussi variabili di B possono indurre all'interno del nucleo magnetico dell'avvolgimento, caratterizzato da una sua conducibilita', correnti non desiderate dette parassite. ( Non si sta trattando delle correnti indotte negli avvolgimenti in rame, ma all'interno del nucleo magnetico che non fa parte di un circuito elettrico e non dovrebbe essere sede di correnti).

Queste correnti parassite circolando provocano riscaldamento per effetto Joule e quindi perdite di energia.

Si consideri che la maggiore limitazione delle macchine elettriche, trasformatori compresi, è dovuta ai problemi termici.

Per interrompere queste correnti o limitare il fenomeno, i nuclei magnetici si realizzano con lamierini isolati tra loro e perpendicolari alle correnti indotte.

Es. Secondo quale piano devono essere disposti i lamierini del nucleo della seguente fig.?

Riscaldamento ad induzione

Se l'obiettivo è il riscaldamento, le correnti parassite sono utilissime, come nei piani ad induzione: le pentole metalliche (dotate di fondo magnetico per concentrare le linee di forza) si riscaldano, mentre il piano isolante rimane freddo (vetro ceramica). La dispersione di energia è bassissima (< 10%) e i tempi di cottura sono rapidi.

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