Isteresi

L’isteresi è un fenomeno per il quale lo stato di un sistema in un determinato istante dipende anche dalla sua storia passata e si verifica tipicamente nei materiali ferromagnetici. Il termine isteresi, dal greco ὑστέρησις che significa carenza o ritardo, fu coniato nel 1881 dal fisico e ingegnere scozzese Sir James Alfred Ewing per descrivere il comportamento dei materiali magnetici.

L’isteresi è comunemente riscontrata in molti impianti come servomotori, smart materials , leghe a memoria di forma e ceramiche piezoelettriche. Il fenomeno è studiato in molte discipline ingegneristiche come l’ingegneria civile, elettrica, aeronautica e petrolifera.

È un processo di dissipazione di energia tramite deformazione tipico dei solidi e studiato per descrivere il comportamento di diversi tipi di materiali. Per la maggior parte, i materiali differiscono nella quantità di energia che dissipano in un dato ciclo di deformazione e il loro comportamento di dissipazione dell’energia cambia con una quantità crescente di deformazione.

L’isteresi può essere definita come la differenza tra due misurazioni distinte effettuate nello stesso punto: la prima durante una serie di valori di misurazione crescenti, l’altra durante una serie di valori di misurazione decrescenti ed è causata dalla naturale riluttanza di un materiale a tornare allo stato originale dopo l’aggiunta e la rimozione di una modifica fisica.

Isteresi magnetica

L’isteresi magnetica è il fenomeno correlato al ritardo dell’induzione magnetica rispetto al campo magnetizzante quando un campione di materiale magnetico è sottoposto a un ciclo di magnetizzazione. In un sistema magnetico, l’isteresi si osserva in un materiale ferromagnetico che tende a rimanere magnetizzato dopo che una forza di campo applicata è stata rimossa se la forza è invertita nella polarità.

Riportando un grafico la densità di flusso B in funzione della intensità del campo magnetico H applicando una forza di campo crescente dovuta alla corrente attraverso le bobine dell’elettromagnete si vede che la densità di flusso aumenta secondo la normale curva di magnetizzazione.

Interrompendo il flusso di corrente che attraversa la bobina dell’elettromagnete, grazie alla ritentività del materiale ovvero alla capacità dei materiali ferromagnetici di trattenere un residuo di magnetizzazione, si ha ancora un flusso magnetico e il nucleo elettromagnetico a questo punto agisce come un magnete permanente.

Nella terza fase applicando la stessa quantità di forza del campo magnetico nella direzione opposta al campione, la densità di flusso raggiunge un punto equivalente a quello precedente tranne che nella direzione negativa. Fermando di nuovo il flusso di corrente che attraversa la bobina a causa della ritenzione del materiale, esso mantiene un flusso magnetico senza che sia applicata alcuna potenza applicata alla bobina, tranne che questa volta è in una direzione opposta a quella dell’ultima volta in cui abbiamo interrotto la corrente attraverso la bobina.

Nell’ultima fase se si applica nuovamente la potenza in una direzione positiva, si nota che la densità del flusso raggiungere di nuovo il suo picco precedente nell’angolo in alto a destra del grafico. La curva a S tracciata da questi stadi forma quella che viene chiamata curva di isteresi di un materiale ferromagnetico per un dato insieme di estremi di intensità di campo (-H e +H).

L’isteresi magnetica trova applicazioni nel campo dell’archiviazione magnetica, come le unità a disco rigido (HDD) che utilizzano uno o più dischi magnetizzati per l’archiviazione di dati e applicazioni e unità a nastro magnetico. Questi dispositivi si basano sulla capacità di scrivere e leggere dati manipolando la magnetizzazione di minuscoli domini magnetici su un supporto di archiviazione.

Nel processo di archiviazione il ciclo di isteresi magnetica svolge un ruolo fondamentale. Infatti quando si scrivono dati, è applicato un campo magnetico esterno per modificare la magnetizzazione del supporto di archiviazione. La coercitività del supporto, rappresentata dalla larghezza del ciclo di isteresi, determina la stabilità dei dati archiviati. Una coercitività più elevata garantisce una migliore conservazione dei dati, mentre una coercitività più bassa consente una riscrittura più semplice.

Ciclo di isteresi

Il ciclo di isteresi, altrimenti noto come curva BH, è un grafico a quattro quadranti che mostra la relazione tra densità di flusso magnetico (B) e forza magnetizzante (H) in cui viene rappresentata la risposta magnetica di un campione esposto a un campo magnetico.

Monitorando il flusso magnetico emesso dal materiale ferromagnetico mentre il campo magnetizzante esterno è modificato si ottiene un grafico del tipo rappresentato in figura da cui si può rilevare che quando l’intensità del campo magnetico (H) aumenta, la densità del flusso magnetico (B) aumenta.

Aumentando il campo magnetico, il valore del magnetismo aumenta fino a raggiungere il punto A, noto come punto di saturazione, dove B rimane costante. Con una diminuzione del valore del campo magnetico, si verifica una diminuzione del valore del magnetismo. Tuttavia, quando B e H valgono entrambi zero, la sostanza o il materiale conserva un po’ di magnetismo, che è noto come ritentività o magnetismo residuo.

Quando si verifica una riduzione del campo magnetico verso il lato negativo, il magnetismo diminuisce allo stesso modo. Il materiale è completamente smagnetizzato nel punto C.

La forza coercitiva ovvero l’intensità di campo necessaria a smagnetizzare completamente un magnete e eliminare la ritenzione di un materiale (C).

Il ciclo si ripete nella direzione opposta, con il punto di saturazione D, il punto di ritenzione E e la forza coercitiva F. Il completamento del ciclo avviene grazie ai processi in direzione avanti e opposta, ed è noto come ciclo di isteresi.

Il ciclo di isteresi definisce la ritentività e la coercitività di una sostanza ovvero la misura della propensione di un materiale ferromagnetico a invertire la propria magnetizzazione, facilitando la scelta del materiale adatto per i magneti permanenti. La perdita di isteresi è evidenziata da una riduzione dell’area del ciclo di isteresi che fornisce una stima approssimativa della quantità di energia sprecata.

Perdita di energia dovuta all’isteresi

I nuclei magnetici sono componenti essenziali di molti dispositivi elettrici ed elettromeccanici, tra cui trasformatori, induttori, motori e generatori. Tuttavia, parte dell’energia immessa in questi nuclei è inevitabilmente dissipata sotto forma di calore, riducendo l’efficienza e le prestazioni dei dispositivi. Il calore generato da queste perdite può anche danneggiare il materiale del nucleo.

Una delle principali perdite di nucleo a cui dobbiamo prestare attenzione, specialmente alle alte frequenze, è la perdita di isteresi. Questa è definita come l’energia dissipata in un materiale a causa della rotazione e dell’allineamento dei domini magnetici del materiale con il campo applicato esternamente.

L’esempio più significativo di analisi della perdita di energia dovuta all’isteresi è il trasformatore, perché durante i processi di magnetizzazione e smagnetizzazione è richiesta energia che viene continuamente persa sotto forma di calore, riducendo l’efficienza del trasformatore.

Pertanto per prevenire la perdita di energia sono utilizzati nei trasformatori i nuclei in ferro dolce, ovvero una lega di ferro e carbonio contenente non più dello 0.03 % di carbonio, poiché la perdita di energia o perdita per isteresi nel ferro dolce è notevolmente inferiore rispetto ad altri materiali.

Applicazioni

Nel settore energetico, l’isteresi svolge un ruolo cruciale nella progettazione e nell’ottimizzazione dei sistemi di accumulo di energia. Ad esempio, nelle batterie ricaricabili, è utilizzata per misurare con precisione lo stato di carica.

Analizzando il ciclo di isteresi delle caratteristiche di tensione e corrente di una batteria, i progettisti possono determinare la sua capacità residua ottenendo informazioni importanti per una gestione efficiente dell’energia e per prevenire sovraccarichi o scariche, prolungando così la durata della batteria.

È utilizzata nei test sui materiali e nei processi di controllo qualità. Ad esempio, nell’industria automobilistica, le misurazioni dell’isteresi sono impiegate per valutare le proprietà dei componenti in gomma come, ad esempio, pneumatici, guarnizioni e tenute.

Sottoponendo questi materiali a carico e scarico ciclici, il ciclo di isteresi può fornire informazioni importanti in relazione al loro comportamento meccanico, tra cui elasticità, dissipazione di energia e resilienza. Queste informazioni aiutano gli ingegneri a valutare la durata e le prestazioni di questi componenti, garantendo sicurezza e affidabilità nei veicoli.

L’isteresi trova applicazioni anche nella robotica e nell’automazione, consentendo un controllo preciso e un posizionamento accurato. Nei sistemi robotici, le tecniche di compensazione dell’isteresi tramite l’uso di sistemi di controllo del feedback, sono utilizzate per superare il ritardo intrinseco negli attuatori e nei sensori.

Analizzando i cicli di isteresi di questi componenti, gli ingegneri possono sviluppare algoritmi di controllo che tengono conto della risposta ritardata, con conseguenti movimenti più accurati e prestazioni complessive migliorate. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni in cui la precisione e la ripetibilità sono fondamentali, come le linee di assemblaggio industriali o la chirurgia robotica (Robotic Assisted Surgery) che consente ai chirurghi di eseguire procedure complesse con maggiore precisione ed efficienza.

Nel campo dell’ingegneria elettrica, i cicli di isteresi trovano applicazione in dispositivi e sistemi. Un esempio di questo tipo è l’uso di loop di isteresi nei relè magnetici, che sono comunemente impiegati nei sistemi di alimentazione elettrica per scopi di controllo e protezione.

I dispositivi di dissipazione dell’energia, sono utilizzati nel campo dell’ingegneria strutturale per mitigare le vibrazioni e migliorare la resilienza di edifici e ponti. Questi dispositivi funzionano dissipando l’energia durante il carico ciclico, riducendo l’ampiezza delle vibrazioni e prevenendo danni strutturali.

Analizzando i cicli di isteresi di vari progetti di smorzatori di isteresi, gli ingegneri possono ottimizzare le loro prestazioni e garantire la sicurezza delle strutture di fronte a carichi dinamici, come forti venti e terremoti, in particolare nelle zone sismiche.

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