Magnetismo In natura esistono delle rocce che si

Magnetismo In natura esistono delle rocce che si comportano da magneti; per esempio la magnetite; tali magneti vengono detti naturali perché esistono in natura. Si chiamano magneti artificiali quelli costruiti dall'uomo; per esempio la calamita è un magnete artificiale in quanto è costruita prendendo un pezzo di ferro e magnetizzandolo con la corrente. I magneti artificiali si possono costruire di due tipi: magneti permanenti e magneti temporanei. Un magnete si dice permanente se conserva la magnetizzazione per molto tempo; la calamita e' un magnete permanente. Un magnete si dice temporaneo se si comporta da magnete quando attorno ad esso si fa circolare della corrente elettrica e poi perde il magnetismo non appena finisce la corrente. Per esempio nel relè e' presente un magnete temporaneo.

Magnetismo Nella calamita si evidenziano due estremità dette Nord e Sud dove la forza di attrazione è particolarmente evidente. Il campo magnetico è prodotto dalle calamite o da correnti elettriche. Le linee di forza del campo magnetico sono quelle curve alle quali si allinea l’ago di una bussola se viene messo in quel punto. Le linee del campo magnetico non hanno né inizio né fine, ma sono linee chiuse. Le linee di forza del campo, la cui intensità è H , escono dal polo N ed entrano nel polo S.

Linee di forza prodotte da una calamita a ferro di cavallo visualizzate tramite la limatura di ferro

Magnetismo Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N esiste un polo S. Poli dello stesso nome si respingono; poli di nome contrario si attraggono. Si chiama campo magnetico lo spazio che circonda un magnete. Il campo magnetico si rappresenta con delle linee di forza che partono dal polo nord e terminano al polo sud esternamente al magnete.

Magnetismo Oltre che dalle calamite, il campo magnetico può essere generato dalle correnti elettriche, ed in tal caso la formula che collega corrente I e campo magnetico H è: Se la corrente e' diretta verso l'alto il verso del campo magnetico e' antiorario, cioè contrario alle lancette dell'orologio tradizionale (regola del cavatappi)

Un filo percorso da corrente crea intorno a sé un campo magnetico. Le linee di forza sono cerchi concentrici , il cui verso è dato dalla regola della mano destra o da quella del cavatappi che si avvita nel verso della corrente. L’intensità del campo è a distanza r dal filo è H= I / 2πr

Magnetismo Una bobina, lunga l metri, costituita da Nspire di rame smaltato, attraversata da una corrente elettrica di I ampere, genera al suo interno un campo magnetico H in Asp/m, di valore: Per determinare la polarità del campo Ponendo la mano destra in modo che prodotto, si prenda il filo percorso dalla le quattro dita della mano indichino corrente e lo si curvi ad anello come in la direzione della corrente, il figura, è possibile allora vedere che il pollice indicherà la direzione campo magnetico generato da quel filo del Polo Nord sarà concentrato nel centro dell’anello stesso.

Nel caso di una spira circolare percorsa da corrente , questa equivale a un magnete il cui polo N è dato dal pollice della mano destra che si avvita lungo la spira nel verso della corrente

Magnetismo Il tipo di magnetismo generato dalla corrente elettrica si dice elettromagnetismo. Si chiama solenoide un lungo filo avvolto in modo da formare tante spire; il solenoide e' detto anche bobina. Per costruire un elettromagnete occorre un pezzo di ferro su cui avvolgiamo un certo numero di spire, cioè un solenoide Se applichiamo un generatore di tensione circolerà una certa corrente. Se il pezzo di ferro e' molto puro, cioè e' ferro dolce, quando stacco la corrente il magnetismo sparisce. Se invece il ferro non e' puro ma e' misto a carbonio o nichel allora il magnetismo resta anche quando stacco la corrente e il pezzo di ferro si chiama calamita o magnete permanente

INTENSITÀ' DI CAMPO MAGNETICO L'intensità di campo magnetico ci indica quanto un campo magnetico è forte e si indica con la lettera H. L'unita' di misura del campo magnetico e' Asp/m, cioè amperspire/metro Se consideriamo allora un solenoide percorso dalla corrente I , esso avrà un certo numero di spire, cioè di giri, che indico con la lettera N; ed avrà una certa lunghezza in metri che indico con la lettera l. Per calcolarci il campo magnetico H utilizziamo la seguente formula: H = N * I l

CIRCUITO MAGNETICO Se ad un elettromagnete avviciniamo un pezzo di ferro a forma di U, si verifica che il pezzo si magnetizza, non solo, ma vi circola in esso un qualcosa cui diamo il nome di flusso magnetico e lo indichiamo con la lettera greca Φ (fi). Unità di misura del flusso magnetico e' il Weber, che si abbrevia Wb. Allora per circuito magnetico si intende un percorso chiuso nel quale circola un certo flusso magnetico. L'attitudine del materiale a farsi attraversare dal flusso è detta permeabilità magnetica μ = μ 0 μr , dove l’unità di misura della permeabilità magnetica e' H/m, cioè Henry/m. Per l'aria μ 0 = 1, 256. 10 -6 H/m. La permeabilità magnetica relativa μr si ottiene confrontando la permeabilità del materiale con quella dell'aria.

PERMEABILITA’ MAGNETICA permeabilità magnetica μ = μ 0 μr , e può assumere valori < 1 => sostanze diamagnetiche > 1 => sostanze paramagnetiche >>1 => sostanze ferromagnetiche

SOSTANZE DIAMAGNETICHE I materiali diamagnetici sono caratterizzati dal fatto che la magnetizzazione ha verso opposto rispetto al campo magnetico, e quindi sono debolmente "respinti". In ambito non scientifico i materiali diamagnetici sono spesso semplicemente detti "non magnetici". Le sostanze che hanno comportamento diamagnetico sono, nell'esperienza comune, l'acqua, la maggior parte delle sostanze organiche (DNA, oli, plastiche) e alcuni metalli come il mercurio, l'oro, il rame, l'argento ed il bismuto. Levitazione della grafite pirolitica (materiale diamagnetico) per effetto di un campo magnetico.

SOSTANZE PARAMAGNETICHE Il paramagnetismo è una forma di magnetismo che alcuni materiali mostrano solo in presenza di campi magnetici, e si manifesta con una magnetizzazione avente stessa direzione e verso di quella associata al campo esterno applicato al materiale paramagnetico stesso. I materiali paramagnetici sono caratterizzati a livello atomico da dipoli magnetici che si allineano con il campo magnetico applicato, venendone debolmente attratti e non conservano la magnetizzazione in assenza di un campo esterno applicato. Esempi di materiali paramagnetici : Al , Ba, Ca, O , Pt, Na, Mg, U Allineamento dei singoli dipoli magnetici in presenza di un intenso campo magnetico.

SOSTANZE FERROMAGNETICHE Il ferromagnetismo è la proprietà di alcuni materiali, detti materiali ferromagnetici, di magnetizzarsi molto intensamente sotto l'azione di un campo magnetico esterno e di restare a lungo magnetizzati quando il campo si annulla, diventando così magneti. Questa proprietà si mantiene solo al di sotto di una certa temperatura, detta temperatura di Curie, al di sopra della quale il materiale si comporta come un materiale paramagnetico. Per il ferro, ad esempio, questa temperatura è di circa 770 °C. Caratteristico allineamento ordinato dei dipoli magnetici in presenza di un campo magnetico esterno.

SOSTANZE FERROMAGNETICHE Nei materiali ferromagnetici la permeabilità magnetica relativa del materiale non è costante al variare dei campi, come invece avviene nei materiali diamagnetici e nei materiali paramagnetici: la relazione tra il campo di induzione magnetica ed il campo magnetico non è quindi lineare, e nemmeno univoca. Il metodo di trovare le relazioni tra questi vettori è un metodo grafico e la legge seguita dall'andamento del campo magnetico segue il ciclo di isteresi. (isteresi è la caratteristica di un sistema di reagire in ritardo alle sollecitazioni applicate e in dipendenza dello stato precedente). Sono materiali ferromagnetici la magnetite, il ferro, il cobalto, il nichel, numerosi metalli di transizione e le loro rispettive leghe. Processo di Magnetizzazione

Analogia circuito elettrico e circuito magnetico generatore di tensione magnetica = solenoide corrente che scorre nel circuito elettrico flusso magnetico che scorre nel circuito tale corrente incontra una certa resistenza che abbiamo indicato con la lettera R questo flusso incontra una certa resistenza, che si chiama riluttanza magnetica, cioè opposizione che presenta il circuito magnetico al passaggio del flusso R = l / μ S cioè la riluttanza e' tanto maggiore quanto più grande e' la lunghezza l; quanto più grande e' la sezione S la riluttanza diventa più piccola, perché c'e' più spazio per il flusso; m tiene conto del tipo di materiale su ogni resistenza c'e' una certa caduta di tensione. V=RI legge di Ohm La tensione magnetica la chiamo anche forza magneto motrice, perché da qui parte la forza che mi fa circolare il flusso magnetico nel circuito. Unità di misura della forza magneto motrice e' Asp, cioè amperspire legge di Hopkinson : N. I = Φ Σ R

LEGGE DI HOPKINSON La legge di Hopkinson dice che in un circuito magnetico la forza magnetomotrice NI e' uguale alla somma delle riluttanze di tutto il circuito moltiplicata per il flusso N. I = Φ Σ R Purtroppo nei materiali ferromagnetici si verifica che il valore della permeabilita' magnetica non è un numero fisso ma dipende dall'intensità di campo magnetico H secondo una legge molto complessa.

LEGGE DI HOPKINSON Ritorniamo ora al nostro solenoide percorso da una certa corrente I, con un certo numero di spire N, avente una certa lunghezza l. Di esso ci sappiamo calcolare il campo magnetico H da esso generato utilizzando la formula: H = N*I l inseriamo'ora un pezzo di ferro all’ interno del solenoide:

LEGGE DI HOPKINSON il ferro si magnetizza generando anche lui un certo campo magnetico. Quindi i campi magnetici H da considerare sono due: quello H generato dal solenoide ed il campo magnetico che ha il ferro, che indichiamo con la lettera B. Si dice allora che il solenoide, percorso da corrente genera per induzione nel pezzo di ferro un'altro campo magnetico detto di induzione che indichiamo con la lettera B e chiameremo induzione B. Unità di misura di B: Wb/m 2 B = μ. H Conoscendo B ci possiamo calcolare il valore del flusso utilizzando la seguente formula: Φ = B. S

CICLO D'ISTERESI Da tale schema si vede come possiamo variare il valore della corrente I spostando i due cursori del potenziometro e possiamo variare anche il verso della corrente I; lasciando fisso il numero di spire ci possiamo calcolare H dalla formula: H = N*I/l Se misuriamo il valore della induzione B che si ha nel ferro per effetto di H, otteniamo

CICLO D'ISTERESI Per ciclo di isteresi si intende un percorso chiuso che il materiale ferromagnetico compie al variare del campo magnetico H. Confrontiamo ora il ciclo di isteresi del ferro dolce, adatto per magneti temporanei, con quello dell'acciaio, adatto per magneti permanenti Notiamo che il ferro dolce si magnetizza con piccoli valori di H, cioe' con poca corrente, e raggiunge un alto valore di Br, quindi si magnetizzza bene, solo che appena viene meno la corrente, basta un piccolo campo coercitivo -Hc per far sparire l'induzione. L'acciaio, invece, ha un basso valore di Br, quindi si magnetizza poco, ma ha un alto valore di Hc quindi non si smagnetizza facilmente.

LEGGE DI FARADY-NEUMANN-LENZ un solenoide genera un campo magnetico H la cui intensità può essere variata agendo sul resistore variabile R, ed una spira avente sezione S, immersa nel campo magnetico. Se indichiamo con B la induzione magnetica prodotta nella spira, il flusso magnetico della spira sarà F = B S qualora la spira sia ortogonale alle linee di induzione. Lo strumento G è un galvanometro. Se il solenoide, la spira, il potenziometro restano fermi, non si nota alcuna tensione misurata dal galvanometro. Qualora, invece, anche uno solo dei tre componenti subisce una variazione, vi sarà una tensione misurata dal galvanometro

LEGGE DI FARADY-NEUMANN-LENZ Quindi per ottenere una certa tensione nella spira si può: • Tenere fermo il solenoide e muovere la spira. • Tenere ferma la spira e muovere il solenoide. • Muovere sia il solenoide sia la spira. • Tenere ferma la spira e il solenoide e muovere il potenziometro. Solo durante il movimento o la variazione, vi è tensione; non appena il movimento o la variazione si arresta, la tensione sparisce. La tensione che si forma nella spira si dice forza elettromotrice indotta

LEGGE DI FARADY-NEUMANN-LENZ La causa che genera tale forza elettromotrice indotta è la variazione di flusso magnetico della spira. Ciò può essere sintetizzato con la legge di Farady - Neumann - Lenz che dice: la forza elettro motrice indotta in una spira, a causa di una variazione di flusso magnetico concatenato con la spira è direttamente proporzionale alla variazione di flusso, è inversamente proporzionale al tempo in cui tale variazione di flusso avviene, ed ha verso tale da opporsi alla causa che l'ha generata

AUTOINDUZIONE

MUTUA INDUZIONE Quando due solenoidi sono posti nelle immediate vicinanze oppure sono avvolti l'uno sull'altro, si dice che i due solenoidi sono mutuamente accoppiati, in quanto una variazione di corrente di un solenoide genera nell'altro solenoide una forza elettromotrice indotta. Per tenere conto di questo si introduce un coefficiente di muta induzione M; unità di misura di M è l'henry. Dato il seguente schema: se indichiamo con i 1 la corrente che circola nel primo solenoide, con e 2 la forza elettro motrice indotta nel secondo solenoide, otteniamo: dove di 1 indica la variazione di corrente nel primo solenoide, dt indica la variazione di tempo in cui è avvenuta di 1

TRASFORMATORE Il trasformatore è costituito da due avvolgimenti, cioè da due solenoidi costituiti da spire di filo di rame smaltato. Quello di alimentazione viene detto avvolgimento primario. Il secondo avvolgimento viene detto secondario. All'interno degli avvolgimenti vi è un nucleo di materiale ferromagnetico, che ha lo scopo di far circolare il flusso magnetico all'interno dei due avvolgimenti, in modo che gli stessi siano mutuamente accoppiati

TRASFORMATORE Il trasformatore è una macchina reversibile, cioè può essere alimentata sia dal primario, con tensione V 1, ottenendo in uscita una tensione V 2; oppure dal secondario con tensione V 2, ottenendo in uscita la tensione. V 1. La tensione di alimentazione deve essere sempre di tipo alternata, con valore di tensione e di frequenza stabiliti dal costruttore. Il trasformatore non può funzionare con tensione continua, perché il flusso concatenato con gli avvolgimenti sarebbe costante, e non vi sarebbero forse elettro motrici indotte, né al primario, né al secondario. Se indichiamo con N 1 il numero di spire del primario e con N 2 il numero di spire del secondario, si dice rapporto spire il rapporto: N 1 N 2 Si dice rapporto di trasformazione il rapporto V 1 V 2 Si ottiene che: V 1 = N 1. V 2 N 2

Le MACCHINE ELETTRICHE sono dispositivi che convertono l'energia elettrica in meccanica o viceversa. Esse si suddividono pertanto in MOTORI quando assorbono energia elettrica dalla rete e la trasformano in energia meccanica, e GENERATORI quando, al contrario, ricevono energia meccanica e la trasformano in elettrica. Le macchine elettriche si possono suddividere, in base al tipo di alimentazione, in: a) MACCHINE ELETTRICHE A CORRENTE CONTINUA b) MACCHINE ELETTRICHE A CORRENTE ALTERNATA.