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Corso di Elettrotecnica Capitolo III

Magnetismo: Fenomeni magnetici ed elettromagnetismo

di Gennaro Bottiglieri

MAGNETISMO

Il magnetismo è un fenomeno dovuto ai magneti, detti comunemente < calamite >.

Le calamite hanno la proprietà di attirare frammenti di materiali ferrosi, quali il ferro, l’acciaio, la ghisa, ecc. quando questi si trovano ad una certa distanza dalla calamita. Lo spazio, in cui si risentono le azioni della calamita, viene detto < Campo magnetico > ed è rappresentato con curve dette < linee di forza magnetica >.

Le estremità della calamita, da cui escono le linee di forza, vengono dette < poli magnetici>.

Sospendendo una calamita a forma di barra, in modo che possa ruotare liberamente, essa si orienterà in modo da disporsi con un polo verso il nord terrestre e con l’altro verso il sud.

L’estremità della calamita rivolta verso il nord, viene detta < polo nord > e l’altra, viene detta < polo sud >,

• Disponendo due calamite rispettivamente con un polo nord e con un polo sud affacciati, si genera tra esse una forza di attrazione che tende ad avvicinarle.

• Invece disponendo due calamite, rispettivamente con i poli nord o i poli sud affacciati, si genera una forza di repulsione che tende ad allontanarle.

Pertanto , si può dire:

SOSTANZE MAGNETICHE

Le sostanze magnetiche sono quelle che poste in vicinanza dei magneti subiscono un’attrazione.

Sono sostanze magnetiche il ferro, la ghisa, il nichel, il cobalto, ed alcune loro leghe, esse a loro volta hanno la possibilità di diventare dei magneti.

Il fenomeno della magnetizzazione delle sostanze magnetiche, può essere spiegato ritenendo che le piccolissime particelle di cui sono costituite, siano esse stesse dei piccolissimi magneti, provvisti ciascuno di un polo nord e un polo sud.

Quando la sostanza magnetica non è magnetizzata, le piccolissime particelle che la compongono sono disposte disordinatamente. Ma, non appena la sostanza viene magnetizzata, le particelle si dispongono ordinatamente, con i poli orientati in modo che il nord dell’una corrisponda al polo sud dell’altra.

Cioè tutti i polo nord ed i polo sud si orientano in una direzione ben definita, per cui all’estremità della sostanza magnetica si ottengono le polarità nord e sud.

Se attraverso le linee di forza viene disposta una sostanza non magnetica, le linee di forza mantengono invariato il loro andamento come se la sostanza non esistesse.

Mentre, se vi si dispone una sostanza magnetica, ad esempio il ferro, le linee di forza tendono a lasciare l’aria per attraversare il ferro, in quanto esse incontrano notevole difficoltà ad attraversare l’aria che non è magnetica.

Infatti, disponendo una sostanza magnetica in un campo magnetico e fissandola nel modo indicato in figura, le linee di forza deviano dalla loro direzione primitiva e tendono a passare attraverso la sostanza stessa.

Mentre, disponendo la sostanza in modo da potersi muovere, essa è costretta dalle linee di forza disporsi in maniera che esse percorrano, per ritornare al polo sud la via più breve.

ELETTROMAGNETISMO

L’elettromagnetismo è un fenomeno dovuto alla creazione dei campi magnetici da parte della corrente elettrica.

Infatti, la corrente elettrica che percorre un conduttore genera attorno ad esso un campo magnetico che però scompare al cessare della corrente stessa.

L’effetto del campo magnetico è più intenso vicino al conduttore ed è tanto più intenso quanto maggiore è la corrente che attraversa il conduttore stesso.

La direzione delle linee di forza di un campo magnetico creato da una corrente, dipende dal verso della corrente stessa.

Immaginando di guardare lungo il conduttore nel senso della corrente, le linee di forza hanno lo stesso senso della corrente, le linee di forza hanno lo stesso senso di rotazione delle lancette dell’orologio.

Avvolgendo un conduttore a forma di elica, si ha un solenoide, ed inviando corrente continua attraverso esso, le linee di forza si chiuderanno attorno al conduttore. Mentre, se le spire del solenoide vengono avvicinate tra loro, le linee di forza non compiono più dei cerchi completi intorno alle spire, ma si congiungono sommandosi, producendo un campo magnetico avente le stesse caratteristiche di quello prodotto da una calamita.

Quindi, ponendo un pezzo di ferro davanti ad una delle facce del solenoide, percorso da corrente per induzione si magnetizza e , successivamente viene attratto nell’interno del solenoide.

Un solenoide, percorso da una corrente, crea alle sue estremità due poli, le cui polarità dipendono dal senso della corrente che percorre il solenoide stesso.

Le polarità del solenoide, possono essere individuate disponendo la mano destra con il palmo appoggiato al solenoide e le dita distese nel senso della corrente; il pollice indicherà da quale parte si avrà il polo Nord.

Per invertire le polarità del solenoide è sufficiente invertire il senso della corrente che circola in esso.

CARATTERISTICHE DEL CIRCUITO MAGNETICO

Un circuito magnetico è costituito da sostanze magnetiche o non magnetiche, attraverso le quali possono passare le linee di forza.

Esso è caratterizzato da tre grandezze: Tensione magnetica- Riluttanza magnetica- Flusso magnetico.

Tensione Magnetica, detta <forza magnetomotrice >(f.m.m.) viene indicata con la lettera F e rappresenta la forza che provoca il passaggio delle linee di forza attraverso il circuito magnetico.

Essa dipende dal numero delle spire e dall’intensità di corrente che le attraversa e si misura in Ampère.spire ( Asp.)

F = Numero di Spire x Intensità di corrente

Riluttanza Magnetica , viene indicata con la lettera R e rappresenta l’ostacolo che il circuito magnetico oppone al passaggio delle linee di forza.

Riluttanza = Lunghezza del circuito magnetico/ sezione del circuito magnetico

in cui m è la permeabilità magnetica.

La permeabilità magnetica  m (mu), è l’attitudine che hanno i corpi a lasciarsi attraversare dalle linee di forza. Il suo valore è molto elevato per le sostanze magnetiche ed è molto basso per le altre.

Pertanto, le sostanze magnetiche, rispetto alle altre, si lasciano attraversare con più facilità dalle linee di forza.

Flusso magnetico. Viene indicato con la lettera F (fi) e rappresenta la quantità di linee di forza che attraversano il circuito magnetico.

Esso dipende dalla tensione magnetica e dalla riluttanza e si misura in Weber ( Wb)

La tensione magnetica in un punto del circuito magnetico viene detta < Intensità di campo> e viene indicata con la lettera H

Essa dipende dalla tensione magnetica e dalla lunghezza del circuito magnetico e si misura in Ampère-spire (Asp/m).

Intensità di campo = Numero di spire x Intensità di corrente / lungh. del circ.magnetico

Esempio: un solenoide costituito da 6 spire e lungo 1 metro, quando è attraversato da una corrente di 2 Ampère, crea nel suo interno un campo magnetico avente una intensità di campo magnetico di:

Il flusso magnetico riferito all’unità di sezione, viene detto < Induzione magnetica > e viene indicata con la lettera B.

Essa dipende dal flusso e dalla sezione del circuito magnetico e si misura in  Wb/m²  (Weber/m²)

in genere nei circuiti magnetici si fa riferimento all’intensità di campo e alla induzione magnetica.

Queste due grandezze sono legate tra loro dalla permeabilità magnetica, cioè:

NOTA : La permeabilità di un circuito composto da sostanze magnetiche varia al variare dell’intensità di campo.

Pertanto, ad aumenti dell’intensità di campo H non si avranno aumenti proporzionali dell’induzione magnetica B.

SATURAZIONE MAGNETICA

La saturazione magnetica è un fenomeno che si verifica nei materiali magnetici quando, all’aumentare dell’intensità di campo H , non si hanno più aumenti sensibili di induzione magnetica B.

La variazione dell’induzione magnetica, al variare dell’intensità di campo può essere rappresentata graficamente mediante una curva di < magnetizzazione>

La curva di magnetizzazione di un materiale magnetico, può essere suddivisa in tre tratti:

Tratto iniziale, in cui l’induzione del materiale aumenta lentamente all’aumentare della intensità di campo.

Tratto intermedio, in cui l’induzione del materiale aumenta notevolmente all’aumentare della intensità di campo.

Tratto finale, in cui l’induzione del materiale rimane praticamente costante all’aumentare dell’intensità di campo.

La curva di magnetizzazione varia da materiale a materiale; alcuni tipi di curve sono rappresentati nelle figure seguenti:

ISTERESI MAGNETICA

L’isteresi magnetica è un fenomeno che si verifica nei materiali magnetici quando questi vengono smagnetizzati. Infatti si è visto che in un materiale ferroso, l’induzione magnetica B aumenta all’aumentare dell’intensità di campo H sino ad un certo valore detto< saturazione> per poi rimanere quasi costante.

Giunti a questo valore, riducendo l’intensità di campo sino a zero, si ha che l’induzione del materiale conserva un certo valore detto < magnetismo residuo>.

Per annullare questo magnetismo residuo occorre invertire l’intensità di campo facendole assumere un certo valore negativo. Questo valore prende il nome di < Campo coercitivo >

Continuando ad aumentare l’intensità di campo, in senso negativo, si raggiunge un valore di saturazione negativo.

Riportando nuovamente a zero l’intensità di campo si ha che l’induzione conserva un certo valore che, in questo caso, viene detto<magnetismo residuo negativo>

Per annullare il magnetismo residuo negativo occorrerà aumentare l’intensità di campo in senso positivo.

Continuando ad aumentare e a diminuire in senso positivo ed in senso negativo l’intensità di campo, l’induzione del materiale varierà secondo un<ciclo d’isteresi>

Dal ciclo si può osservare che l’induzione in un materiale ferroso segue le variazioni dell’intensità di campo con un certo ritardo.

Il magnetismo residuo ed il campo coercitivo variano da materiale a materiale come si può osservare nei cicli di isteresi sotto riportati:

Il Ferro dolce: ha le particelle elementari che si orientano molto facilmente per cui è facilmente magnetizzabile: cioè con piccoli valori di intensità di campo si ottengono notevoli valori dell’induzione magnetica.

D’altra parte, perde la magnetizzazione altrettanto facilmente al cessare dell’azione magnetizzante; cioè il ferro dolce conserva momentaneamente un’ingente magnetizzazione, detta < residua> che però scompare non appena interviene una qualsiasi causa magnetizzante, anche se assai debole, ad esempio: il campo magnetico terrestre.

Pertanto il ferro dolce viene detto magnete temporaneo.

La ghisa: ha le particelle elementari che si orientano con una certa difficoltà, per cui presenta una certa opposizione alla magnetizzazione; cioè richiede una discreta intensità di campo per magnetizzarsi.

D’altra parte, al cessare dell’azione magnetizzante essa conserva una magnetizzazione residua che, per essere annullata, richiede un discreto campo coercitivo.

L’acciaio: ha le particelle elementari che si oppongono notevolmente all’orientamento, per cui richiede per magnetizzarsi una notevole intensità di campo.

D’altra parte, conserva al cessare dell’azione magnetizzante un magnetismo residuo, che è minore di quello del ferro dolce e della ghisa, ma per annullarlo richiede un notevolissimo campo coercitivo smagnetizzante, per cui l’acciaio rimane stabilmente magnetizzato per lungo tempo.

Pertanto, l’acciaio, viene detto < magnete permanente>