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Unità 1 - I materiali e la corrente elettrica
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 [1/°C]. 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).
Un'altra grandezza 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).
Infine una grandezza importante, sempre riferita agli 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 e, anche aumentando H, 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 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 loro6).
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