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Unità 2 - Materiali conduttori, isolanti e magnetici

Premessa: gli argomenti, trattati in maniera approfondita nel libro di testo, saranno sol accennati

1 Generalità

Obiettivo dell'unità: esaminare i materiali utilizzati nelle applicazioni elettriche ed elettroniche e le loro proprietà.

2 Proprietà elettriche

La resistività ρ indica se un materiale è un buon conduttore o un buon isolante e si esprime in [Ωm] (o [Ωmm²/m])1).

La resistività dipende dalla temperatura attraverso il coefficiente di temperatura α, espresso in [°C-1]. Vale la relazione:

`rho_T = rho (1+alpha T)`

dove ρ è la resistività alla temperatura di 20 °C e T la temperatura. La tabella 1 riporta i valori di queste due grandezze per alcuni materiali conduttori; la tabella 2 per alcuni isolanti2).

Una grandezza particolarmente importante riferita agli isolanti è la costante dielettrica ε3). Più spesso si fa riferimento alla costante dielettrica relativa di un materiale definita così:

`epsilon_r = epsilon / epsilon_0 [F/m]`

dove ε0 è la costante dielettrica del vuoto. Questa grandezza esprime la resistenza offerta da un isolante al campo elettrico (sotto la cui azione l'isolante si polarizza e crea un campo opposto accumulando energia elettrostatica). La tabella 3 mostra i valori della costante dielettrica per alcuni isolanti (più è elevata migliore è l'isolante).

Un'altra grandezza importante per gli isolanti è la rigidità dielettrica Kr espressa in [V/m], che rappresenta il massimo valore di campo elettrico sopportabile da un isolante oltre al quale si ha una scarica distruttiva.

3 Proprietà magnetiche

Le grandezze principali del magnetismo sono legate tra loro dalla relazione:

`B = mu H`

dove:

  • B è il vettore induzione magnetica, espresso in Tesla (simbolo [T]), responsabile degli effetti magnetici
  • H è il vettore campo magnetico, espresso in [A/m]
  • μ è la permeabilità magnetica del materiale dove sono presenti le due grandezze vettoriali, espressa in [H/m]

Si può dire che B è l'effetto di H su un materiale di permeabilità μ. La permeabilità esprime dunque la capacità di magnetizzarsi di un materiale. Più spesso si fa riferimento alla permeabilità relativa così definita:

`mu_r = mu/ mu_0`

dove μ0 è la permeabilità del vuoto. In base al valore di μr si distingue tra:

  • materiali paramagentici e diamagnetici, che hanno un valore di permeabilità prossimo a quella del vuoto e che non esibiscono fenomeni magnetici
  • materiali ferromagnetici, con μr > 1000, sfruttati nei fenomeni magnetici (vedi tabella 5)

I materiali ferromagnetici sono pochi - ferro, cobalto e nichel sono i principali - e presentano alcuni difetti:

  • la loro permeabilità non è costante
  • presentano il fenomeno dell'isteresi
  • sono sede di perdite, cioè potenza dissipata in calore, se il campo magnetico cambia nel tempo

La figura 4 mostra il comportamento non lineare dei materiali ferromagnetici: oltre una certa soglia si ha la saturazione, cioè aumentando il campo magnetico H l'induzione B resta costante 4). La figura 5 mostra invece il fenomeno dell'isteresi: il legame tra B e H, detto caratteristica magnetica, è descritto da tre curve:

  • una per il materiale completamente smagnetizzato, che parte dall'origine (prima magnetizzazione)
  • una per H crescente
  • una per H decrescente5)

Le perdite che si verificano nei materiali ferromagnetici sottoposti a campi variabili nel tempo sono dovute a due diversi fenomeni:

  • perdite per isteresi, proporzionali all'area racchiusa dal ciclo di isteresi del materiale
  • perdite per correnti parassite, dovute alla circolazione di correnti indotte dalle variazioni di campo magnetico nel materiale

Questi fenomeni sono ineliminabili ma possono essere ridotti scegliendo materiali con un ciclo di isteresi “stretto” e utilizzando il materiale sotto forma di lamierini isolati tra loro (vedi figura 7)6).

4 Materiali conduttori e superconduttori

I conduttori sono utilizzati per realizzare le parti attive di:

  • impianti, per il trasporto dell'energia elettrica
  • apparecchi elettrici, per collegamenti, avvolgimenti e resistori
  • apparecchi elettronici, per realizzare piste e collegamenti tra componenti

I materiali conduttori più utilizzati sono:

  • l'alluminio
    • nel trasporto dell'energia per il suo basso peso
    • nella gabbia dei motori asincroni
    • nei condensatori
  • il rame, per tutto il resto, per:
    • la bassa resistività
    • il basso costo
    • la facilità di lavorazione e saldabilità

Il rame per uso elettrico è ottenuto con tecniche di raffinazione per ottenere un grado di purezza particolarmente elevato. Quello usato nei terminali dei dispositivi elettronici è spesso stagnato per evitare l'ossidazione che ne aumenterebbe la resistenza.

Tra gli altri metalli vengono usati:

  • l'argento per ricoprire i contatti di interruttori/relé e in alcuni circuiti integrati
  • l'oro per ricoprire contatti perché resistente alla corrosione
  • lo stagno, il palladio, il nichel-cromo nei resistori a film
  • il tungsteno nei filamenti delle lampadine
  • il tantalio per i condensatori elettrolitici

Nei resistori a film si usano anche conduttori non metallici come il carbone e la grafite.

5 Materiali isolanti

I materiali isolanti impediscono il passaggio della corrente isolando tra loro le parti attive. Nelle applicazioni elettriche ed elettroniche sono indispensabili quanto i conduttori. Presentano una resistività elevatissima - ma non nulla, specie quella superficiale - e una serie di caratteristiche che peggiorano nel tempo per l'invecchiamento del materiale. Questo è dovuto a sollecitazioni:

  • elettriche (campo elettrico)
  • ambientali (esposizione alla luce e agenti chimici)
  • termiche

Il risultato è una progressiva degradazione del materiale, anche in condizioni di normale utilizzo7). La temperatura è un fattore particolarmente importante - una sovratemperatura di soli 5-10°C dimezza la vita di un isolante - per cui gli isolanti vengono classificati in base alla loro classe di isolamento, che indica la temperatura massima che l'isolante può sopportare senza danneggiarsi.

Tra i materiali isolanti ricordiamo:

  • i materiali ceramici, usati negli isolatori, nei condensatori e negli integrati, che oltre ad avere ottime caratteristiche elettriche sono facilmente lavorabili e resistono ad alte temperature e agli agenti atmosferici
  • gli oli sintetici, usati come isolanti e refrigeranti nei trasformatori
  • le miche, di derivazione minerale, usate nei condensatori
  • le resine termoplastiche e termoindurenti (plastica), usate nei condensatori, negli involucri e nei supporti e per l'isolamento dei cavi
  • gli elastomeri (gomma), un altro tipo di materie plastiche con maggiore elasticità
  • il vetro, usato negli isolatori oltre che nei bulbi delle lampadine e nei fusibili

6 Materiali magnetici

I materiali magnetici presentano una permeabilità magnetica elevata. Alcuni di questi materiali sono anisotropi, cioè vanno orientati in una certa direzione per avere un comportamento ottimale. Un'altra distinzione si fa tra materiali:

  • teneri (o dolci), che hanno un ciclo di isteresi stretta e possono essere magnetizzati e smagnetizzati facilmente
  • duri, con un ciclo di isteresi più largo, adatti alla realizzazione di magneti permanenti

I materiali più utilizzati sono:

  • il ferro e il cobalto, utilizzati puri o in lega per la loro alta permeabilità
  • il nichel, usato in lega, per le basse perdite per isteresi
  • l'acciaio con basso tenore di carbonio, per le caratteristiche meccaniche oltre che magnetiche
  • le leghe ferro-silicio, per le basse perdite per correnti parassite
  • le ferriti, materiali ceramici a base di ossidi ferrosi usati in alta frequenza, con perdite particolarmente basse

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1)
la conducibilità o conduttività esprime la stessa proprietà e corrisponde all'inverso della resistività
2)
si noti la differenza enorme - 21 ordini di grandezza - tra il valore di resistività di un buon conduttore e un buon isolante
3)
chiamata anche permettività
4)
la permeabilità corrisponde alla pendenza della curva B-H
5)
Si noti che per questi materiali è presente un valore di induzione residua Br anche quando si annulla il campo magnetico. Questo valore è particolarmente importante se si vuole realizzare un magnete permanente, cioè una calamita (vedi figura 6)
6)
questa soluzione riduce l'area attraversata dal campo magnetico e aumenta la resistenza diminuendo le correnti parassite
7)
la perdita di isolamento può essere molto rapida in caso di forti sollecitazioni
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unita_1_2.txt · Ultima modifica: 2016/03/26 15:33 da admin