Isteresi magnetica

Sappiamo che il flusso magnetico generato da una bobina elettromagnetica è la quantità di campo magnetico o linee di forza prodotte in una data area e che è più comunemente chiamato “densità di flusso”. Dato il simbolo B con l’unità di densità di flusso è il Tesla, T.

Sappiamo anche dalle esercitazioni precedenti che la forza magnetica di un elettromagnete dipende dal numero di giri della bobina, la corrente che scorre attraverso la bobina o il tipo di materiale del nucleo utilizzato, e se si aumenta la corrente o il numero di giri possiamo aumentare l’intensità del campo magnetico, simbolo H.

In precedenza, la permeabilità relativa, simbolo μr, era definita come il rapporto tra la permeabilità assoluta μ e la permeabilità dello spazio libero μo (il vuoto) e questa era data come costante. Tuttavia, la relazione tra la densità di flusso, B e l’intensità del campo magnetico, H può essere definita dal fatto che la permeabilità relativa, μr non è una costante ma una funzione dell’intensità del campo magnetico dando così la densità di flusso magnetico come: B = μ H.

Allora la densità di flusso magnetico nel materiale sarà aumentata di un fattore maggiore come risultato della sua permeabilità relativa per il materiale rispetto alla densità di flusso magnetico nel vuoto, μoH e per una bobina con anima in aria questa relazione è data come:

Quindi per i materiali ferromagnetici il rapporto tra densità di flusso e intensità di campo ( B/H ) non è costante ma varia con la densità di flusso. Tuttavia, per le bobine animate in aria o qualsiasi nucleo di mezzo non magnetico come legni o plastica, questo rapporto può essere considerato come una costante e questa costante è nota come μo, la permeabilità dello spazio libero, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Tracciando i valori della densità di flusso, ( B ) contro l’intensità del campo, ( H ) possiamo produrre una serie di curve chiamate Curve di magnetizzazione, Curve di isteresi magnetica o più comunemente Curve B-H per ogni tipo di materiale del nucleo utilizzato come mostrato di seguito.

Curva di magnetizzazione o curva B-H

L’insieme di curve di magnetizzazione, M sopra rappresenta un esempio della relazione tra B e H per nuclei in ferro dolce e acciaio ma ogni tipo di materiale del nucleo avrà il suo insieme di curve di isteresi magnetica. Si può notare che la densità di flusso aumenta in proporzione all’intensità di campo fino a raggiungere un certo valore dove non può più aumentare, diventando quasi livellata e costante man mano che l’intensità di campo continua ad aumentare.

Questo perché c’è un limite alla quantità di densità di flusso che può essere generata dal nucleo, poiché tutti i domini nel ferro sono perfettamente allineati. Qualsiasi ulteriore aumento non avrà alcun effetto sul valore di M, e il punto sul grafico in cui la densità di flusso raggiunge il suo limite è chiamato saturazione magnetica, noto anche come saturazione del nucleo e nel nostro semplice esempio sopra il punto di saturazione della curva di acciaio inizia a circa 3000 ampere-giri al metro.

La saturazione avviene perché, come ricordiamo dal precedente tutorial sul magnetismo che includeva la teoria di Weber, la disposizione casuale e casuale della struttura delle molecole all’interno del materiale del nucleo cambia quando i piccoli magneti molecolari all’interno del materiale diventano “allineati”.

Come l’intensità del campo magnetico, ( H ) aumenta questi magneti molecolari diventano sempre più allineati fino a raggiungere l’allineamento perfetto producendo la massima densità di flusso e qualsiasi aumento dell’intensità del campo magnetico dovuto ad un aumento della corrente elettrica che scorre attraverso la bobina avrà poco o nessun effetto.

Retentività

Immaginiamo di avere una bobina elettromagnetica con un’alta intensità di campo dovuta alla corrente che scorre attraverso di essa, e che il materiale ferromagnetico del nucleo ha raggiunto il suo punto di saturazione, massima densità di flusso. Se ora apriamo un interruttore e rimuoviamo la corrente magnetizzante che scorre nella bobina, ci aspetteremmo che il campo magnetico intorno alla bobina scompaia perché il flusso magnetico si riduce a zero.

Tuttavia, il flusso magnetico non scompare completamente perché il materiale del nucleo elettromagnetico mantiene ancora parte del suo magnetismo anche quando la corrente ha smesso di scorrere nella bobina. Questa capacità di una bobina di mantenere una parte del suo magnetismo all’interno del nucleo dopo che il processo di magnetizzazione si è fermato si chiama Retentività o Rimanenza, mentre la quantità di densità di flusso che rimane ancora nel nucleo si chiama Magnetismo Residuo, BR .

La ragione di questo che alcuni dei piccoli magneti molecolari non ritornano ad un modello completamente casuale e puntano ancora nella direzione del campo magnetizzante originale dando loro una sorta di “memoria”. Alcuni materiali ferromagnetici hanno un’alta retentività (magneticamente duri) che li rende eccellenti per produrre magneti permanenti.

Mentre altri materiali ferromagnetici hanno una bassa retentività (magneticamente morbidi) che li rende ideali per l’uso in elettromagneti, solenoidi o relè. Un modo per ridurre questa densità di flusso residuo a zero è invertendo la direzione della corrente che scorre attraverso la bobina, rendendo così il valore di H, l’intensità del campo magnetico negativo. Questo effetto è chiamato forza coercitiva, HC.

Se questa corrente inversa viene aumentata ulteriormente, la densità di flusso aumenterà anche nella direzione inversa fino a quando il nucleo ferromagnetico raggiunge di nuovo la saturazione, ma nella direzione inversa rispetto a prima. Riducendo la corrente di magnetizzazione, i ancora una volta a zero, si produrrà una quantità simile di magnetismo residuo ma nella direzione inversa.

Quindi, cambiando costantemente la direzione della corrente di magnetizzazione attraverso la bobina da una direzione positiva a una direzione negativa, come sarebbe il caso in un’alimentazione CA, si può produrre un ciclo di isteresi magnetica del nucleo ferromagnetico.

Ciclo di isteresi magnetica

Il ciclo di isteresi magnetica qui sopra, mostra il comportamento di un nucleo ferromagnetico graficamente come la relazione tra B e H è non lineare. Partendo da un nucleo non magnetizzato, sia B che H saranno a zero, il punto 0 sulla curva di magnetizzazione.

Se la corrente di magnetizzazione, i, viene aumentata in direzione positiva fino ad un certo valore, l’intensità del campo magnetico H aumenta linearmente con i e la densità di flusso B aumenterà anch’essa, come mostrato dalla curva dal punto 0 al punto a, mentre si dirige verso la saturazione.

Ora, se la corrente di magnetizzazione nella bobina viene ridotta a zero, anche il campo magnetico che circola intorno al nucleo si riduce a zero. Tuttavia, il flusso magnetico della bobina non raggiungerà lo zero a causa del magnetismo residuo presente all’interno del nucleo e questo è mostrato sulla curva dal punto a al punto b.

Per ridurre a zero la densità di flusso nel punto b dobbiamo invertire la corrente che scorre nella bobina. La forza di magnetizzazione che deve essere applicata per annullare la densità di flusso residua è chiamata “forza coercitiva”. Questa forza coercitiva inverte il campo magnetico risistemando i magneti molecolari fino a quando il nucleo si smagnetizza nel punto c.

Un aumento di questa corrente inversa fa sì che il nucleo si magnetizzi nella direzione opposta e aumentando ulteriormente questa corrente di magnetizzazione il nucleo raggiungerà il suo punto di saturazione ma nella direzione opposta, il punto d sulla curva.

Questo punto è simmetrico al punto b. Se la corrente di magnetizzazione viene nuovamente ridotta a zero, il magnetismo residuo presente nel nucleo sarà uguale al valore precedente ma in senso inverso al punto e.

Ancora una volta, invertendo la corrente di magnetizzazione che scorre attraverso la bobina, questa volta in direzione positiva, il flusso magnetico raggiungerà lo zero, punto f sulla curva e, come prima, aumentando ulteriormente la corrente di magnetizzazione in direzione positiva, il nucleo raggiungerà la saturazione nel punto a.

Quindi la curva B-H segue il percorso di a-b-c-d-e-f-a quando la corrente di magnetizzazione che scorre attraverso la bobina alterna un valore positivo e negativo, come il ciclo di una tensione CA. Questo percorso è chiamato Magnetic Hysteresis Loop.

L’effetto dell’isteresi magnetica mostra che il processo di magnetizzazione di un nucleo ferromagnetico e quindi la densità di flusso dipende da quale parte della curva il nucleo ferromagnetico è magnetizzato in quanto questo dipende dalla storia passata dei circuiti dando al nucleo una forma di “memoria”. Quindi i materiali ferromagnetici hanno memoria perché rimangono magnetizzati dopo che il campo magnetico esterno è stato rimosso.

Tuttavia, i materiali ferromagnetici morbidi come il ferro o l’acciaio al silicio hanno anelli di isteresi magnetica molto stretti che risultano in quantità molto piccole di magnetismo residuo che li rende ideali per l’uso in relè, solenoidi e trasformatori in quanto possono essere facilmente magnetizzati e smagnetizzati.

Siccome una forza coercitiva deve essere applicata per superare questo magnetismo residuo, il lavoro deve essere fatto per chiudere il ciclo di isteresi con l’energia utilizzata che viene dissipata come calore nel materiale magnetico. Questo calore è noto come perdita di isteresi, la quantità di perdita dipende dal valore della forza coercitiva del materiale.

Aggiungendo additivi al metallo ferroso come il silicio, si possono fare materiali con una forza coercitiva molto piccola che hanno un ciclo di isteresi molto stretto. I materiali con cicli di isteresi stretti sono facilmente magnetizzabili e smagnetizzabili e sono noti come materiali magnetici morbidi.

Loop di isteresi magnetica per materiali morbidi e duri

L’isteresi magnetica porta alla dissipazione di energia sprecata sotto forma di calore e l’energia sprecata è proporzionale all’area del loop di isteresi magnetica. Le perdite di isteresi saranno sempre un problema nei trasformatori AC dove la corrente cambia costantemente direzione e quindi i poli magnetici nel nucleo causeranno perdite perché invertono costantemente la direzione.

Anche le bobine rotanti nelle macchine DC subiranno perdite di isteresi perché passano alternativamente i poli magnetici nord e sud. Come detto in precedenza, la forma del ciclo di isteresi dipende dalla natura del ferro o dell’acciaio usato e nel caso del ferro che è sottoposto a massicce inversioni di magnetismo, per esempio i nuclei dei trasformatori, è importante che il ciclo di isteresi B-H sia il più piccolo possibile.

Nel prossimo tutorial sull’elettromagnetismo, vedremo la legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica e vedremo che muovendo un conduttore di filo all’interno di un campo magnetico stazionario è possibile indurre una corrente elettrica nel conduttore producendo un semplice generatore.