Appunti di Tecnologie e Progettazione - classe terza

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unita_1_2 [2015/11/15 17:56] – [3 Proprietà magnetiche] adminunita_1_2 [2020/07/03 15:59] (versione attuale) – modifica esterna 127.0.0.1
Linea 1: Linea 1:
-====== Unità 1 - I materiali e la corrente elettrica ======+====== Unità 2 - Materiali conduttori, isolanti e magnetici ======
  
 **Premessa:** gli argomenti, trattati in maniera approfondita nel libro di testo, saranno sol accennati **Premessa:** gli argomenti, trattati in maniera approfondita nel libro di testo, saranno sol accennati
Linea 12: Linea 12:
 La **resistività ρ** indica se un materiale è un buon conduttore o un buon isolante e si esprime in [Ωm] (o [Ωmm²/m])((la //conducibilità// o //conduttività// esprime la stessa proprietà e corrisponde all'inverso della resistività)). La **resistività ρ** indica se un materiale è un buon conduttore o un buon isolante e si esprime in [Ωm] (o [Ωmm²/m])((la //conducibilità// o //conduttività// esprime la stessa proprietà e corrisponde all'inverso della resistività)).
  
-La resistività dipende dalla temperatura attraverso il **coefficiente di temperatura α**, espresso in [1/°C]. Vale la relazione:+La resistività dipende dalla temperatura attraverso il **coefficiente di temperatura α**, espresso in [°C<sup>-1</sup>]. Vale la relazione:
  
-$$rho_T = rho (1+alpha T)$$+`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 isolanti((si noti la differenza enorme - 21 ordini di grandezza - tra il valore di resistività di un buon conduttore e un buon isolante)). 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 isolanti((si noti la differenza enorme - 21 ordini di grandezza - tra il valore di resistività di un buon conduttore e un buon isolante)).
  
-Un'altra grandezza riferita agli isolanti è la **costante dielettrica ε**((chiamata anche //permettività//)). Più spesso si fa riferimento alla **costante dielettrica relativa** di un materiale definita così:+Una grandezza particolarmente importante riferita agli isolanti è la **costante dielettrica ε**((chiamata anche //permettività//)). Più spesso si fa riferimento alla **costante dielettrica relativa** di un materiale definita così:
  
-$$epsilon_r = epsilon / epsilon_0 [F/m]$$+`epsilon_r = epsilon / epsilon_0 [F/m]`
  
 dove ε<sub>0</sub> 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). dove ε<sub>0</sub> 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 K<sub>r</sub>** espressa in [V/m], che rappresenta il massimo valore di campo elettrico sopportabile da un isolante oltre al quale si ha una scarica distruttiva.+Un'altra grandezza importante per gli isolanti è la **rigidità dielettrica K<sub>r</sub>** 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 ===== ===== 3 Proprietà magnetiche =====
Linea 30: Linea 30:
 Le grandezze principali del magnetismo sono legate tra loro dalla relazione: Le grandezze principali del magnetismo sono legate tra loro dalla relazione:
  
-$$B = mu H$$+`B = mu H`
  
 dove: dove:
Linea 39: Linea 39:
 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: 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:
  
-$$mu_r = mu/ mu_0$$+`mu_r = mu/ mu_0`
  
 dove μ<sub>0</sub> è la permeabilità del vuoto. In base al valore di μ<sub>r</sub> si distingue tra: dove μ<sub>0</sub> è la permeabilità del vuoto. In base al valore di μ<sub>r</sub> si distingue tra:
Linea 50: Linea 50:
   * sono sede di perdite, cioè potenza dissipata in calore, se il campo magnetico cambia nel tempo   * 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 ((la permeabilità corrisponde alla pendenza della curva B-H)). La //figura 5// mostra invece il fenomeno dell'isteresi: il legame tra B e H, detto //caratteristica magnetica//, è descritto da tre curve:+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 ((la permeabilità corrisponde alla pendenza della curva B-H)). 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 il materiale completamente smagnetizzato, che parte dall'origine (prima magnetizzazione)
   * una per H crescente   * una per H crescente
Linea 57: Linea 57:
 Le perdite che si verificano nei materiali ferromagnetici sottoposti a campi variabili nel tempo sono dovute a due diversi fenomeni: 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 isteresi, proporzionali all'area racchiusa dal ciclo di isteresi del materiale
-  * perdite per correnti parassite, dovute alla circolazione di correnti indotte nel 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((questa soluzione riduce l'area attraversata dal campo magnetico e aumenta la resistenza diminuendo le correnti parassite)).+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//)((questa soluzione riduce l'area attraversata dal campo magnetico e aumenta la resistenza diminuendo le correnti parassite)). 
 + 
 +===== 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 utilizzo((la perdita di isolamento può essere molto rapida in caso di forti sollecitazioni)). 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
  
 ===== Navigazione ===== ===== Navigazione =====
  
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