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Introduzione ai Campi Magnetici - Parte 2

Introduzione ai Campi Magnetici Freescale

Se si prende un filo che conduce corrente e lo si curva ad anello come abbiamo fatto in questo esempio, è possibile vedere che il campo magnetico generato da quel filo sarà concentrato nel centro dell’anello stesso come mostrato. Possiamo usare una variazione della regola della mano destra che noi chiameremo la regola della mano destra a spirale per scoprire quale sarà la polarità del campo magnetico generato. Quindi, se prendi la tua mano destra e ruoti le tue dita in modo da indicare nella direzione del flusso di corrente, e poi prosegui stendendo il pollice come se stessi facendo l’autostop o qualcosa di simile, il tuo pollice punterà nella direzione del Polo Nord.

In seguito, aumentiamo la corrente di un coefficiente due e vediamo che effetto ha sul flusso. Ciò che notiamo è che anche il flusso aumenterà di un coefficiente due. Quindi, il flusso generato nello spazio libero diminuisce in maniera direttamente proporzionale alla corrente che scorre nel filo. Ma noi possiamo ottenere simile risultato usando la stessa corrente facendola passare attraverso due anelli di filo come mostra questo esempio. Quindi, possiamo concludere che anche la somma di flusso è proporzionale al numero di giri nell’anello di filo. Da ciò noi definiamo la funzione della forza magnetica detta forza Magnetomotrice o semplicemente FMM che è il prodotto del numero di giri nel filo ed il flusso di corrente attraverso il filo stesso. Quindi, quali fattori incidono sulla quantità di flusso?

Noi ne conosciamo già due. Uno è la corrente e l’altro è il numero di giri del filo. Ma cos’altro? Si è scoperto che la lunghezza della traiettoria di flusso incide sulla quantità dello stesso . Maggiore è la traiettoria, minori saranno le linee di flusso. Infatti, si può pensare al flusso come irradiazione nello spazio in tutte le direzioni. Maggiore è la distanza dal filo, minore sarà il flusso perché esso è inversamente proporzionale alla lunghezza della traiettoria che deve sfruttare per arrivare dal Polo Nord al Polo Sud. Cos’altro? Bene notiamo che la quantità di flusso generata è anche proporzionale alla permeabilità del materiale in cui è creato. La permeabilità non è che la misura della densità delle linee di flusso in un dato materiale per unità di forza magnetomotrice. Quindi, come ci si aspetterebbe materiali diversi hanno permeabilità differenti. L’aria ha un a permeabilità relativamente bassa rispetto agli altri materiali come i metalli ferrosi. Ci riferiamo alla permeabilità dell’aria nello spazio vuoto come mu di 0 come mostrato qui. In fine la quantità di flusso che attraversa una determinata area ovviamente aumenterà se noi aumentiamo l’area stessa. Quindi, in un campo magnetico uniforme, il numero di linee di flusso è direttamente proporzionale all’area considerata come ci si aspetterebbe.

Vediamo se noi possiamo semplificare un poco questa espressione. Il termine n volte i diviso 1 ha un significato speciale in applicazioni magnetiche. Ciò è definita intensità di campo spesso denotata dalla lettera H. Così, se noi sostituiamo questa con l'espressione originale, vediamo che la quantità di flusso è uguale all'intensità di campo moltiplicato la permeabilità del materiale moltiplicato all’area. Ma, non abbiamo ancora finito. Se prendiamo il flusso e lo dividiamo per l’area, otteniamo la densità di flusso o DE come abbiamo stabilito in precedenza in questa discussione. Quindi, l’espressione finale afferma matematicamente quello che noi già sappiamo e cioè che la densità di flusso è uguale alla durata di intensità magnetica moltiplicato la permeabilità del materiale.

Soffermiamoci su ciò di cui abbiamo appena discusso e vediamo se possiamo stabilire una relazione causa-effetto nell'equazione. Poniamo che l'intensità magnetica sia la causa e che sia disegnata sull’asse-X. La densità di flusso sarà l'effetto e noi la disegneremo sull’asse-Y. Quando avviamo l'intensità magnetica che a proposito si ottiene aumentando la corrente , vediamo che la densità di flusso aumenta in proporzione lineare all'intensità del campo magnetico.

Ma cosa accadrebbe se noi mettessimo di nuovo un materiale lungo la traiettoria di flusso e provassimo ancora? Vediamo che a parità di intensità di campo, la densità di flusso ora è molto più alta. Questo perché la permeabilità del materiale magnetico è molto più alta di quella dello spazio libero ed amplifica l'effetto dell'intensità del campo magnetico. Ma, la linea mostrata nel grafico è un puro caso teorico e non si verifica nella vita reale. Infatti, la curva è molto simile a questa. All’inizio è abbastanza lineare ma all’aumentare dell’ intensità magnetica il materiale è sottoposto ad un effetto di saturazione in termini di densità di flusso.

Perché? Bene quando non c'è intensità magnetica tutti i minuscoli domini magnetici nel materiale ferroso sono orientati verso direzioni casuali e la polarizzazione della rete magnetica del materiale è così zero. Ma, all’aumentare sempre più dell'intensità magnetica di questi domini magnetici inizia ad allinearsi nella direzione della FMM e di conseguenza si rivela una debole polarizzazione magnetica. Tuttavia, si raggiunge un punto in cui tutti o quasi tutti i domini magnetici già sono allineati ed essendo soggetti ad una sempre maggiore intensità di campo non possono più allinearsi nella maniera migliore. Di conseguenza il materiale non può offrire più un vantaggio magnetico sullo spazio libero. Infatti, la permeabilità del materiale nel caso di alte intensità di campo si avvicinerà asintoticamente a quella dello spazio libero.

Ora cosa pensi che accadrebbe se diminuissimo la forza di magnetomotrice? Bene, risulta che invece di seguire lo stesso percorso diminuisca; segue una traiettoria totalmente diversa come mostrato qui. Nota che quando la FMM è pari a zero, parte della densità di flusso rimane nel materiale. In altre parole, il materiale è stato magnetizzato permanentemente. Questo valore della densità di flusso è noto come magnetizzazione Residua del materiale. Vediamo che, per tutto il tempo, per far sì che la densità di flusso scenda a zero, deve essere applicata una FMM negativa. L'intensità di campo corrispondente a questa condizione è detta coercizione del materiale. Se noi continuiamo ad aumentare l'intensità di campo nella direzione negativa, notiamo lo stesso effetto di saturazione che abbiamo osservato per valori positivi dell'intensità di campo ed anche se noi riportiamo a zero l'intensità magnetica, ancora una volta seguirà una traiettoria totalmente diversa come visto in precedenza. Poiché si seguono traiettorie diverse, a seconda che l'intensità di campo cresca o diminuisca , si dice che il materiale abbia uno storico magnetico. L’area limitata da queste traiettorie è proporzionale all'energia che sarà dispersa nel materiale ogni volta che l'intensità di campo completa un ciclo alternato. Questa perdita di energia avviene di solito sottoforma di calore. Quindi, puoi immaginare che se un’onda di corrente alternata AC è applicato a questo materiale magnetico, l’area ombreggiata corrisponde alla quantità di perdita del nucleo che si avrà per ogni ciclo onda di Corrente alternata. Ecco perché per certe applicazioni, come trasformatori o strutture di motore dove l'onda di Corrente alternata comunemente esiste, si può scegliere un materiale dove le traiettorie crescenti o decrescenti sono il più vicino possibile minimizzando così le perdite del nucleo. D’altro canto se desideri creare un magnete permanente, allora si dovrebbe scegliere un materiale diverso con proprietà storiche diverse vale a dire con la più alta coercizione.

Questa tavola mostra i materiali magnetici avanzati fin da 1960. Come puoi vedere da questa tavola, persino i materiali di ferrite erano relativamente deboli e potevano essere smagnetizzati facilmente in situazioni di sovraccarico. Ma negli anni sessanta, ci fu una svolta significativa poiché gli scienziati scoprirono modi di creare magneti da materiali rari di Terra. L'ultimo e più potente di questi magneti rari di Terra è un composto noto come minerale di ferro neodimio o semplicemente neo. Bisogna fare molta attenzione quando si lavora con i magneti neo. Infatti, questi magneti sono così potenti che qualcosa come il semplice inserimento manuale di un rotore con magneti di neo all’interno di una struttura motore può essere molto pericoloso. Risulta che la forza di attrazione aumenta drasticamente quando questi due pezzi entrano in contatto. Alcuni clienti hanno avuto incidenti riportando danno personale quando il rotore si rompe nella struttura del testatore. Altri clienti hanno riferito che far cadere un magnete di neo può essere ugualmente pericoloso specialmente se il magnete si danneggia durante il processo. Poiché il magnete è danneggiato, frammenti magnetici possono essere orientati in maniera tale che poli magnetici simili entrano in contatto l’uno con l’altro. Per questo vengono scaraventati a velocità incredibile come schegge e ciò può dar luogo anche a danno personale. Ma sul lato positivo, i magneti di neodimio originano straordinarie densità di flusso che danno luogo a motori con potenza di cavalli maggiore in strutture di dimensioni molto più piccole. In più hanno buone proprietà meccaniche che permettono una realizzazione a basso costo in strutture di magnete permanente.

 

 

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