Per chiarire cos'è l'isteresi, occorre innanzitutto partire dal termine stesso. Isteresi deriva dal greco hysteros (ὕστερος), che può essere tradotto come "posteriore". “Isteresi” si traduce in tedesco come "effetto collaterale".
Questo è esattamente ciò che riguarda l'isteresi in generale. Pertanto, una definizione generale del termine potrebbe essere la seguente: “La tendenza di un materiale a conservare una delle sue proprietà, in assenza dello stimolo che lo ha generato".
Di conseguenza, il principio di isteresi può essere applicato a un'ampia varietà di aree, dai fenomeni elettronici all'economia e al ferromagnetismo.
I materiali ferromagnetici possono essere caricati magneticamente da campi magnetici esterni. Questa magnetizzazione aumenta molto più velocemente di quanto diminuisca quando il campo magnetico esterno viene nuovamente disattivato.
È proprio questo effetto che dobbiamo l'isteresi, la quale viene misurata dalla curva di isteresi. La forza magnetica che rimane quando il campo magnetico esterno è completamente spento è ciò che chiamiamo rimanenza.
Diamo un' occhiata a un esempio di materiale ferromagnetico non magnetizzato.
Attraverso una bobina elettrica è possibile magnetizzare tale materiale. Il campo magnetico esterno è indicato con (H) e il campo magnetico interno risultante è la densità di flusso magnetico (B). Qui abbiamo a che fare con due variabili, l'intensità del campo magnetico (H) e la densità del flusso magnetico (B), dove l'isteresi è il rapporto tra i due.
Se entrambi i valori erano precedentemente a zero, cioè la bobina non è stata ancora elettrificata e il materiale da magnetizzare non ha ancora una propria energia magnetica, si forma una curva di isteresi, che definiamo nuova curva. Man mano che l'intensità del campo magnetico (H) aumenta gradualmente, la densità del flusso magnetico (B) aumenta lentamente all'inizio, raggiungendo alla fine un punto di saturazione. Anche se (H) aumenta ulteriormente, (B) non aumenterà ulteriormente.
Di conseguenza, il campo magnetico esterno può essere nuovamente disattivato e la forza del campo magnetico appena creato non diminuirà così rapidamente, ma solo gradualmente, poiché ora stiamo parlando della rimanenza del materiale da magnetizzare.
Esistono diverse curve di isteresi: la morbida e la dura. I magneti morbidi possiedono curve più strette, rimanenze più piccole e forze di campo coercitive. Invece, con i magneti duri possiamo osservare curve più ampie, nonché valori di rimanenza più elevati e forze di campo coercitive.
L'argomento dell'isteresi è vasto e può essere visto sia dal lato fisico che da quello matematico. In questo articolo, tuttavia, inizialmente abbiamo voluto chiarire il principio di base e la definizione generale di isteresi. In caso di dubbi non esitare a contattarci in qualsiasi momento, i nostri esperti saranno felici di poterti aiutare.
Il traferro è lo spazio d'aria presente tra il nucleo dello statore e il rotore della macchina elettrica in un circuito magnetico. Queste macchine elettriche si riferiscono a motori e generatori. Nelle macchine elettriche, la riluttanza del traferro può talvolta essere trascurata senza commettere un grosso errore nei calcoli, grazie al contrasto con la riluttanza della differenza del circuito magnetico.
Da una parte, i motori elettrici convertono l'energia elettrica fornita in energia meccanica. Dall'altra, il generatore elettrico utilizza l'energia meccanica e successivamente la trasforma in energia elettrica.
In entrambi i casi, nel momento in cui lo statore e il rotore si scambiano l'energia lavorano allo stesso tempo, per produrre un flusso magnetico per mezzo di bobine di rame che le due macchinep ossiedono. In questo processo di conversione dell'energia, entra in gioco il traferro.
All'interno del traferro si forma un campo magnetico, una delle bobine è incaricata di produrre il flusso che deve muoversi attraverso il traferro, questo deve essere attraversato 2 volte da ogni polo che contiene la macchina elettrica per ogni fase.
Una delle funzioni indispensabili è quella di dare linearità al circuito magnetico, che ha anche il compito di evitare la saturazione del nucleo, poiché è incaricato di distribuire la dispersione del flusso che si manifesta nel traferro.
All'aumentare del traferro, aumenta anche la riluttanza, cioè la resistenza che il materiale ha nel momento in cui passa attraverso il flusso magnetico interessato da un campo magnetico nell'aria. Il quale il flusso, per la legge dell'OHM magnetico, dovrebbe essere ridotto, essendo una forza che produce un'intensità di campo magnetico costante.
Un fattore molto importante è che maggiore è il numero di poli del motore o del generatore, più volte il flusso deve attraversare il traferro. Un altro fattore molto importante è il monitoraggio del traferro nei motori elettrici e nei generatori, che altrimenti potrebbe causare il malfunzionamento della macchina.
L'elettromagnetismo studia le interazioni riscontrate nelle cariche elettriche espresse da campi elettrici e campi magnetici in relazione fra loro. Tanto il campo elettrico come quello magnetico possiedono cariche elettriche.
Le interazioni dell'elettromagnetismo furono scoperte nel 1821, grazie allo scienziato britannico Michael Faraday che, con l'aiuto di James Clerk Maxwell, completò il fenomeno nel 1865.
Possiamo dividere i campi elettromagnetici in due tipi di elettromagnetismo: campi elettrici statici e campi magnetici statici; con le rispettive cariche. Oltre a questi due tipi di elettromagnetismo, troviamo campi elettromagnetici variabili nella radiazione e nel tempo, in cui cariche e campi sono in costante movimento.
Le cariche elettriche sono fondamentali per le forze magnetiche ed elettromagnetiche. La differenza fra i due tipi di elettromagnetismo esistenti risiede nelle forze magnetiche e nelle forze elettromagnetiche, costituenti la dinamica delle cariche che ciascuna possiede. La forza elettrica e la forza magnetica si producono con cariche in movimento, la differenza è che la forza statica, oltre a questo modo di ottenere queste cariche, si può ottenere anche con cariche statiche. D'altra parte, la forza elettrica è in grado di indurre e particelle cariche a muoversi o fermarsi, mentre la forza magnetica influenza unicamente le cariche in movimento.
Non solo possiamo riscontrare fenomeni elettrici nei fenomeni naturali o nei fenomeni antropici, ma anche negli atomi. Le particelle subatomiche conferiscono stabilità alle diverse proprietà di un materiale, che successivamente influenzano i diversi tipi di elettromagnetismo esistenti.
Da notare che la forza magnetica è presente anche in tutti gli atomi (diamagnetismo), mentre la forza elettrica è inferiore. Quando appare la presenza di elettroni spaiati, troviamo il paramagnetismo, che è una forza superiore. Il paramagnetismo dipende dalle interazioni tra alcuni atomi e molecole, in altre parole, non si verifica nei singoli atomi. Le molecole che generano queste interazioni vengono a configurarsi come i mattoni dei magneti.
L'elettromagnetismo si trova in svariati settori, come ad esempio in ingegneria, elettronica, aeronautica, medicina... È inoltre possibile riscontrare applicazioni dell'elettromagnetismo in altri aspetti della vita quotidiana:
Campanelli: Il campanello riceve una carica elettrica attraverso un elettromagnete il quale produce un campo magnetico, attirando una sorta di martello dotato di un metallo. Successivamente il rumore viene prodotto a causa dell'urto. Il funzionamento di questi campanelli si basa su fenomeni elettromagnetici.
Microonde: produce radiazioni elettromagnetiche che sottopongono a vibrazione le molecole d'acqua presenti nel cibo, generando calore per la cottura del cibo.
Microfono: attraverso una membrana, il microfono viene attratto da un magnete che si trova all'interno di un campo magnetico, producendo il suono in modo amplificato. Il microfono è una delle applicazioni elettromagnetiche più comuni.
La forza magnetica che si trova in un magnete è correlata all'effetto residuo della forza magnetica esistente fra le cariche in movimento.
L'unità di sistema internazionale che fa riferimento alla forza magnetica riscontrata nel campo magnetico è il tesla (T). La forza di un campo magnetico all’interno del magnete viene invece misurata in gauss, poiché l'unità è più piccola.
Quando parliamo della forza dei magneti ci riferiamo al magnetismo. Il magnetismo è prodotto dal movimento delle cariche elettroniche. Questi elettroni possono generare magnetismo in due modi diversi:
per transizione, compiendo un movimento orbitale che circola intorno al nucleo;
per rotazione, quando l'elettrone si muove sul proprio asse.
La forza magnetica dei magneti, nel caso in cui la velocità sia perpendicolare al campo magnetico, si ricava dalla seguente formula.
Forza =carica . velocità. campo B
Per conoscere la direzione di un campo magnetico in un magnete occorre conoscere la direzione delle linee di forza magnetica. Possiamo ottenere due versioni della mano destra:
1. La prima versione della mano destra
La legge della mano destra serve per conoscere i due tipi di senso, sia il senso lineare che il senso rotatorio. La regola consiste nel posizionare le prime tre dita nella seguente posizione:
Il dito indice indica la direzione del primo vettore del prodotto vettoriale, questo è rappresentato con il vettore simbolo di u. Per rotazione l'elettrone si muove sul proprio asse.
Il dito medio (posto al centro) si riferisce al secondo vettore situato nel vettore v. Per rotazione l'elettrone si muove sul proprio asse.
Il pollice definisce la direzione e il significato di questo prodotto vettoriale. Per rotazione l'elettrone si muove sul proprio asse.
2. La seconda versione della mano destra
Posiziona la mano destra allo stesso modo, così che le dita siano nella stessa direzione del primo vettore del vettore u. Per rotazione l'elettrone si muove sul proprio asse.
Chiudendo la mano, le dita indicheranno la direzione del secondo vettore del prodotto vettoriale di u. Nel momento in cui la mano si chiude, si ottiene l'angolo o la distanza tra i vettori, che è minore. Per rotazione l'elettrone si muove sul proprio asse.
Infine, il pollice indica il senso e la direzione del prodotto vettoriale.
La legge di Coulomb è stata inventata da Charles Coulomb; fisico francese che nel 1785 condusse un progetto presso l'Accademia delle scienze situata a Parigi, , essendo incaricato di eseguire una serie di esperimenti di corpi carichi. Attraverso tali esperimenti è stato possibile ottenere diversi risultati che nel loro insieme conformarono quella che oggi conosciamo come legge di Coulomb.
La legge di Coulomb è la relazione che si trova nelle interazioni (forze esercitate da un campo elettrico) fra cariche elettriche. In base al sistema internazionale, il risultato della carica è simboleggiato con la lettera Q e la sua unità di misura è lo stesso Coulomb (C).
Per ottenere la forza attraverso questa legge ed avendo due cariche, occorre applicare la seguente formula:
Nel caso in cui la legge di Coulomb possieda tre cariche, osserviamo come esse acquistino forma triangolare. Nel caso di tre forze, il metodo che useremo per trovare la forza risultante è il Parallelogramma:
Fr2 = F21,2+F21,3+2F1,2F1,3cos∅
L'entità delle forze elettriche che hanno la capacità di attrazione e repulsione tra le cariche è guidata dal principio dell'elettrostatica o dalla legge scoperta da Charles Coulomb. Trattandosi di una grandezza vettoriale, la sua espressione in forma vettoriale è la seguente:
Il vettore di F= forza elettrica
Il vettore di ur=vettore unitario
Se il risultato della forza è positivo, è definita forza repulsiva: se il risultato è negativo, si definisce forza attrattiva.
La legge di Coulomb K può variare dipendendo dalle varianti dell’intorno. In un intorno dielettrico può essere espressa attraverso la costante dielettrica del materiale.
ε=ε0 à la permittività del vuoto (8.85 ·10 -12 C2 /N·m2)
Questa legge può essere trovata in diverse applicazioni, come ad esempio:
Un'applicazione in cui la legge di Coulomb risulta necessaria è lo studio della struttura cristallina. Gli ioni della struttura cristallina sono responsabili del bilanciamento delle forze elettriche. Con l'aiuto di queste forze possiamo condurre uno studio più semplice della struttura cristallina di cui abbiamo bisogno.
L'intensità del campo magnetico coercitivo (Hc) stabilisce l'intensità del campo magnetico necessaria per la completa smagnetizzazione di un magnete carico.
La coercitività magnetica consiste nell’intensità del campo magnetico che occorre applicare per la smagnetizzazione di un prodotto magnetico, come ad esempio un magnete in ferrite, precedentemente caricato alla sua densità di flusso di saturazione.
La smagnetizzazione consiste nel flusso totale o significa che la densità di flusso locale corrisponde a zero. Ciò accade quando un magnete permanente si trova in un campo magnetico polarizzato inverso di forza coercitiva Hc. Se un magnete è esposto a un campo opposto, esso sarà soggetto alla sua stessa forza coercitiva, per mantenere la sua magnetizzazione, a seconda della sua qualità. Fondamentalmente si applica la seguente regola: maggiore è la forza coercitiva di un magnete, più un magnete potrà mantenere la propria magnetizzazione.
Un'intensità di campo coercitivo si distingue tra la forza coercitiva (HcB) della densità del flusso magnetico e la forza coercitiva (HcJ) della polarizzazione magnetica:
Un magnete permanente perde la propria densità di flusso magnetico quando è esposto all'intensità del campo HcB, ma rimane ancora magnetico quando viene rimosso dal campo.
La densità di flusso generata è opposta, ma esattamente della stessa dimensione della densità di flusso del campo di smagnetizzazione, in modo tale che le due dimensioni si annullano a vicenda e non possiedono effetto alcuno. Quando il campo opposto esterno viene nuovamente disattivato o rimosso: le forze magnetiche lasciano ancora il magnete, come residuo del magnete stesso.
Solo un'intensità di campo HcJ è in grado di condurre alla polarizzazione e quindi il magnete perde completamente la sua magnetizzazione, in modo permanente. In questo caso non è più magnetico ma si magnetizza di nuovo. Allo stesso modo si può definire l'intensità del campo elettrico coercitivo.
Tutti i campi magnetici sono misurati nell'unità A/m (ampere per metro)
Occasionalmente, si può ancora trovare l'unità di misura Oe (Oersted). Come riferimento per la conversione: 1 Oe corrisponde a circa 80 A/m.
È possibile misurare la coercitività magnetica con un dispositivo, chiamato coercimetro. Il coercimetro misura la polarizzazione dell'induzione in una bobina mobile in funzione dell'intensità del campo magnetico esterno.
Per poter misurare una forza coercitiva elettrica, gli elettrodi solidi vengono depositati a vapore nella disposizione di un condensatore a piastre nel materiale da misurare.
Dalla corrente di ricarica e dalla tensione misurata, è possibile determinare la carica sulla piastra, insieme alla misurazione dell'intensità del campo elettrico e dello spostamento elettrico.
Materiali diversi possiedono diverse intensità di campo magnetico coercitivo, misurate in A/m, mentre il ferro tecnicamente puro ha un valore da 10 a 200 A/m, il nichel (50% di nichel) ha un valore da 3 a 16 e il ferro al neodimio un valore di (da 0,87 a 2,75) x 10 6. 6.
È facilmente identificabile quanto siano diversi i materiali in termini di coercitività.
Perché è importante misurare e conoscere la coercitività?
La misurazione dell'intensità del campo coercitivo è di particolare aiuto nei controlli non distruttivi di materiali e materiali ferromagnetici, come ferro o acciaio, ad esempio nei materiali da costruzione. Qui è importante verificare e conoscere le proprietà microstrutturali, eventuali trattamenti termici o anche precedenti deformazioni plastiche. La durezza meccanica corrisponde qui alla forza coercitiva, cioè alla durezza magnetica.
I valori determinati dell'intensità del campo magnetico coercitivo dei materiali ferromagnetici variano in alcuni casi chiaramente con una composizione simile o addirittura la stessa. L'intensità del campo dipende non solo dalla composizione ma anche da fattori quali la struttura cristallina e la sua dimensione, le fasi miste che si verificano nella lega e lo stato di tensione residua. Lo stato di tensione residua indica se un materiale è stato indurito, lavorato a freddo o ricotto.
La rimanenza è stata menzionata in precedenza: se le sostanze ferromagnetiche sono esposte a un campo magnetico, il magnetismo residuo rimane anche dopo la rimozione del campo magnetico. Questo magnetismo residuo viene anche definito rimanenza.
Le sostanze ferromagnetiche differiscono dai materiali ferromagnetici non per la disposizione dei cosiddetti distretti bianchi nella struttura cristallina, ma per l'ordine magnetico dei loro magneti elementari, prodotti da un orientamento energeticamente favorevole.
Le magnetizzazioni di due magneti elementari adiacenti si annullano parzialmente, quindi le aree bianche sono magnetizzate in maniera più debole. Il comportamento macroscopico è quindi una forma più debole di ferromagnetismo.
La forza del campo elettrico coercitivo è necessaria per annullare la restante polarizzazione di un ferroelettrico. Ancora una volta, maggiore è l'intensità del campo, migliore sarà il materiale che manterrà la sua polarizzazione. L'intensità del campo influenza anche la piezoelettricità. La piezoelettricità descrive il cambiamento nella polarizzazione elettrica e l'aspetto della tensione elettrica quando viene deformato elasticamente.
L'isteresi è letteralmente un effetto secondario, ovvero un cambiamento di effetto ritardato a seguito del cambiamento di una causa. Questo effetto secondario si verifica soprattutto nella magnetizzazione dei magneti e caratterizza una variante di comportamento ritardato dell'uscita effettuata che ha raggiunto il suo massimo o minimo.
Un fenomeno ben noto è il comportamento di isteresi di un ferromagnete in un campo magnetico. Un ferromagnete non magnetizzato, che è stato esposto a un campo magnetico esterno e poi nuovamente spento, può mantenere una magnetizzazione positiva o negativa, a seconda della polarità del campo magnetico esterno.
La legge Biot-Savart è stata scoperta da Jean Baptiste Biot insieme a Félix Savart. I due francesi sono partiti dalla formula per la densità del flusso magnetico. Nel 1820 condussero diversi esperimenti relazionati con la forza che una corrente elettrica è in grado di conferire ad un magnete in prossimità.
La legge di Savart è la legge in base alla quale applicando un'equazione si può conoscere il campo magnetico prodotto da una corrente elettrica non in moto. Questa legge stabilisce la connessione del campo magnetico con vari fattori della corrente elettrica. La legge di Biot forma parte di una delle più importanti leggi dell'elettromagnetismo.
La legge di Biot-Savart viene utilizzata come base teorica per spiegare i campi magnetici; proprio come la legge di Coulomb, la quale stabilisce una connessione fra i campi elettrici e le cariche puntiformi che li creano. La differenza tra esse consiste nel fatto che la legge di Coulomb possiede cariche puntiformi stazionarie, mentre le cariche della legge di Biot-Savart sono in movimento.
La legge di Biot e Savart ci aiuta a conoscere il campo magnetico creato da una corrente. Per ottenere il calcolo di tale campo magnetico, occorre applicare la seguente equazione:
dB = densità del flusso magnetico
dL = lunghezza dell'elemento
I = corrente
r = distanza dal punto
La legge Biot-Savart ha diverse applicazioni. Vi si ricorre per calcolare il campo magnetico B, prodotto da una spira circolare in cui si muove una corrente di intensità I, la quale si trova al centro assieme al punto del proprio asse. Viene utilizzato inoltre per calcolare le reazioni magnetiche anche a livello molecolare o atomico.
Per conoscere la direzione dell'intensità della corrente si applicherà la regola della mano destra, secondo la quale il pollice indicherà la direzione della corrente, mentre le altre dita indicheranno la direzione del campo magnetico.
Nell'ottica dell'elettromagnetismo possiamo trovare l'induzione magnetica in un punto o nel centro.
Ad esempio, vi si può ricorrere per conoscere il campo magnetico di una bobina, che si trova a 2 m di distanza. A tal fine basterebbe conoscere il numero di giri, la misura del raggio e la portata del flusso.
No.155-1, North Jingu Road
Yinzhou Investment & Business Industrial
Ningbo, PR China 315104
Via Industria 36, Ozzero
20080 Milan
Tlf: +39 (02) 94 00 137
Tlf: +39 (02) 94 00 609
Fax +39 (02) 9407178
E-mail: cristina@ima-italia.it
Avda. Cataluña, 5
08291 Ripollet (Barcelona)
Tlf: (+34) 93 579 54 15
E-mail: contacto@imamagnets.com
