MANUALE DELLA MISURAZIONE MAGNETICA

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1 MILANO BARCELONA PARIS MANUALE DELLA MISURAZIONE MAGNETICA Calamit S.r.l. Via Romagna, Cologno Monzese - MI Tel Fax

2 AVVERTENZA GENERALE PER LA SICUREZZA Molte procedure in questa manuale possono esporre il lettore a voltaggi potenzialmente rischiosi. Per evitare l'eventualità di shock elettrico, si devono osservare tutte le norme e le precauzioni fondamentali relative ai lavori intorno ad alti voltaggi. Si deve prestare un'attenzione particolare quando si effettuano misurazioni di campo all'interno d impianti avvolti da fili metallici. La sonda o il fascio di bobine di ricerca che fuoriesce dall'impianto avvolto aggira tutti i dispositivi di blocco di sicurezza dell'impianto stesso e potrebbe agire da conduttore di voltaggi letali. Ciò è soprattutto rischioso se vengono usati impianti avvolti da fili che non sono forniti di adeguati dispositivi di blocco di sicurezza. Per ulteriore sicurezza e per prevenire danni agli occhi, si devono sempre indossare occhiali di protezione durante le misurazioni magnetiche che comportano alti voltaggi, alte correnti o campi magnetici molto forti.

3 INDICE Capitolo 1. Informazioni generali Introduzione Metodi di misurazione magnetica Terminologia magnetica Termini e definizioni magnetiche Capitolo 2. Gaussmetri a effetto Hall Introduzione Storia dell'effetto Hall Come funziona un sensore Hall Sonde a effetto Hall Sonde di campo trasversale Sonde di campo assiale Gaussmetri base a effetto Hall Gaussmetri pratici a effetto Hall Capitolo 3. Applicazioni del Gaussmetro Introduzione Verifica dei magneti ad U e a C Verifica degli assemblaggi di magneti di campo assiale Verifica degli assemblaggi di magneti rotanti Analisi degli assemblaggi magnetici Misurazione di campi magnetici a impulsi Verifica dell'efficienza dei componenti magnetici di protezione Misurazione delle dispersioni magnetiche nei trasformatori Misurazione della corrente nei conduttori Test di permeabilità relativa Misurazione della densità del flusso nel traferro amplificatore Uso del Gaussmetro in un sistema automatico di lavorazione del magnete

4 CAPITOLO 1 INFORMAZIONI GENERALI INTRODUZIONE Questo manuale descrive alcune delle applicazioni più utili delle misurazioni magnetiche. Le informazioni di questo manuale sono finalizzate ad assistere il lettore nella scelta degli strumenti e dei metodi per eseguire le verifiche necessarie nel miglior modo possibile. È dedicato esclusivamente alle misurazioni eseguite con l utilizzo di gaussmetri a effetto Hall e flussometri elettronici. I flussometri e i gaussmetri Dowty RFL, rappresentano gli strumenti attualmente disponibili. Questo manuale include la teoria e un insieme di informazioni storiche che permetteranno allo studente, al tecnico o al ricercatore di capire i concetti basilari del magnetismo in generale e le misurazioni magnetiche in particolare. Utilizzando le informazioni contenute in questo manuale, le misurazioni magnetiche potranno essere eseguite in modo semplice e accurato, col minimo impiego di apparecchiature. Le informazioni di questa manuale sono state raccolte in trent'anni di pratica attiva nella misurazione dei campi magnetici. I metodi descritti permettono la misurazione di campi generati da corrente alternata, da impulsi o da campi statici prodotti da fonti c.c. o magneti permanenti. L'ampiezza può variare da alcuni gamma a livelli oltre oersteds. Una conoscenza base delle tecniche della misurazione magnetica è essenziale per il tecnico progettista che ha a che fare con prodotti che utilizzano concetti magnetici. Caratteristiche magnetiche come i campi di dispersione e la riluttanza congiunta non si calcolano in modo semplice; se possono essere misurate, la progettazione finale diventerà più efficiente. Inoltre, la verifica della produzione può essere eseguita in modo più accurato se i metodi di verifica sono compatibili con la progettazione. METODI DI MISURAZIONE MAGNETICA Per effettuare misurazioni magnetiche precise e accurate in condizioni di laboratorio, nel secolo scorso erano a disposizione alcune apparecchiature. I fisici di fine '800 utilizzarono i concetti sviluppati in precedenza da Gauss, Oersted e Helmholtz per arrivare a risultati straordinari, considerata la limitata strumentazione a disposizione a quel tempo. Quando l'uso di dispositivi elettrici si diffuse nella società industriale in rapida espansione del XIX secolo, divenne necessario l'impiego di materiali magnetici migliori e crebbe anche l'esigenza di verifiche. II primo strumento usato per la misurazione dei campi magnetici fu il "magnetometro a bussola" messo a punta da Karl Gauss nel La tecnica consisteva semplicemente nel confrontare l'effetto di campi di magnetite o di magneti permanenti sull'ago della bussola, usando come valore di riferimento la componente orizzontale del campo della terra. Benché non altamente sofisticato, il magnetometro a bussola fu un punto di partenza; variazioni su questa tecnica vengono utilizzate ancora oggi. L'introduzione del galvanometro balistico all'inizio del nuovo secolo segna la nascita della tecnologia della misurazione magnetica come la conosciamo oggi. Oggi abbiamo a disposizione un'ampia gamma di strumenti per la misurazione magnetica, tra cui il magnetometro a flusso, il gaussmetro a risonanza magnetica nucleare (NMR), il magnetometro a pompa ottica, il gaussmetro a magnete permanente, il magnetometro con dispositivo superconduttore dell'interferenza del quanta (SQUID), il flussometro elettronico integrato e il gaussmetro a effetto Hall. In generale i magnetometri sono usati soprattutto nell'esplorazione geofisica, nei sistemi di guida dei missili e nel materiale militare a influenza magnetica. I gaussmetri NMR sono usati principalmente quando si esige un'accuratezza estrema; essi producono eccellenti modelli di riferimento. I gaussmetri a effetto Hall e i flussometri elettronici sono usati soprattutto per misurare campi magnetici di magneti permanenti e i loro effetti sui materiali ferrosi.

5 TERMINOLOGIA MAGNETICA Il magnetismo non e diverso da altre tecnologie ad alto livello nel fatto di avere un proprio linguaggio. La conoscenza dei termini è essenziale per capire il significato e i risultati delle misurazioni magnetiche eseguite. Il sistema di unita CGS (centimetro-grammo-secondo) fu usato per molti anni come base per quasi tutte le misurazioni magnetiche. Recentemente il SI (Sistema Internazionale) o MKS razionalizzato (metro-chilogrammo-secondo) e stato proposto come l'unico metodo per esprimere le quantità magnetiche. Tuttavia, il sistema CGS e molto diffuso e ha delle caratteristiche che lo rendono preferibile al SI. Per questo motivo il sistema CGS è ancora largamente adottato ed è il sistema preferito in molte applicazioni pratiche E' più semplice esprimere molte proprietà magnetiche nel sistema CGS che nel sistema SI. Per esempio, in entrambi i sistemi la permeabilità viene definita come B/H. Nel sistema CGS questa è espressa come gauss/oersted, mentre nel sistema SI si evolve in (weber/metro) (amperespira/metro) L'espressione delle misurazioni magnetiche nell unità SI è il metodo preferito in quasi tutti i college e le università, mentre l'industria tende a mantenere il sistema CGS. Questo manuale esprimerà le quantità magnetiche in unita CGS; la Tabella 1 mette a confronto le unita di misura di ciascun sistema. TAB. 1 QUANTITÀ E SIMBOLO UNITÀ CGS E SIMBOLO UNITÀ SI E SIMBOLO RAPPORTO SI/CGS Corrente elettrica (I) abampere ampere (A) 10-1 Densità di flusso gauss (G) tesla (T) [1] 10 4 Forza dina (dyn) newton (N) 10 6 Intensità di magnetizzazione (J) e.m.u. [2] tesla (T) [3] 10 4 /4 Lunghezza (l) centimetro (cm) metro (m) 10 2 Costante magnetica (uo) [4] (unita) henry/metro (H/M) 10 7 /4 Momento di dipolo magnetico (J) e.m.u.[5]-wbm [6] weber metro 1DI 0 /4 Forza del campo magnetico (H) oersted (De) ampere/metro (A/m) 4 /10 3 Flusso magnetico (o) maxwell weber (Wb) 10 8 Forza del polo magnetico (p) e.m.u. weber (Wb) 10 8 /4 Forza magnetomotrice (F) gilbert (Gb) ampere (A) 4 /10 Massa grammo (g) Chilogrammo (Kg) 10 3 Permeabilità assoluta (u) [7] - henry/metro (H/m) 10 7 /4 Permeabilità relativa (u) [8] - 1 Permeabilità [9] maxwell/gilbert henry (H) 10 9 /4 Potenza (P) erg/secondo watt (W) 10 7 Riluttanza (Rm) gilbert/maxwell l/henry (H -1 ) 4 /10 9 Suscettività [10] e.m.u. rapporto 1/4 Temperatura (T) gradi Celsius ( c) Kelvin (K) K= C Tempo (t) secondi (s) secondi (s) 1 Lavoro o energia erg joule (j) ) Uguale a webers per metro quadrato. 2) Uguale a G/4 o dyn/cm 2 Oe. 3) Uguale a N/Am. 4) Uguale alla permeabilità dello spazio. 5) 6) Uguale a dyn. cm/oe. Uguale a Nm 2 /A. 7) 8) Uguale a B/H. Uguale a B/uoH. 9) Inverso alla riluttanza. 10) Volume relativo espresso come una percentuale, uguale a J/uoH.

6 TERMINI E DEFINIZIONI MAGNETICHE Di seguito sono elencati alcuni dei termini magnetici più comuni. Un elenco più ampio e dettagliato si può trovare in: ASTM Designation A340-77, "Standard Definitions of Terms, Symbols and Conversion Factors Relating To Magnetic Testing", AMPERSPIRA/METRO A/m l unità SI della forza magnetizzante o la forza del campo magnetico. ANCORA uno o più conduttori magnetici usati per chiudere un circuito magnetico. Di solito usati per proteggere magneti permanenti o assemblaggi magnetici da influenze demagnetizzanti quando l'assemblaggio non viene usato. Può servire anche a minimizzare la dispersione. AREA DEL TRAFERRO Ag L'area della sezione trasversale del traferro perpendicolare alla traiettoria del flusso e misurata in centimetri quadrati in un punta normale alla linea centrale di flusso. AREA MAGNETICA Am l'area trasversale del magnete perpendicolare alla linea di flusso centrale, misurata in centimetri quadrati in ogni punta lungo la sua lunghezza. Per motivi di progettazione, questa è di solito considerata L area nella sezione neutra del magnete. BOBINA DI RICERCA un conduttore ad avvolgimento usato come elemento rilevatore per un flussometro. L'area e il numero di spire della bobina di solito sono conosciute; quest'informazione viene usata per misurare i cambiamenti di trasmissione del flusso. CICLO DI ISTERESI la rappresentazione grafica della relazione tra i valori dell'induzione magnetica (B) e la forza magnetizzante (H) per un materiale ferroso o magnetico. Spesso è chiamato ciclo "B-H". CICLO MAGGIORE DI ISTERESI il ciclo chiuso ottenuto quando un materiale magnetico viene ciclizzato tra la saturazione positiva e negativa. CIRCUITO APERTO una condizione che si verifica quando un oggetto magnetizzato è da solo, senza alcuna traiettoria di flusso esterna di materiale ad alta permeabilita. CIRCUITO CHIUSO una condizione che esiste quando il tratto di flusso esterno di un magnete permanente confina con materiale ad alta permeabilita. COEFFICIENTE DI TEMPERATURA un fattore che descrive il cambiamento reversibile in una proprietà magnetica rispetto alla temperatura dell'ambiente. La proprietà magnetica tornerà al suo valore originario quando la temperatura dell'ambiente torna normale. I coefficienti di temperatura sono espressi di solito come il valore del cambiamento per unita di temperatura.

7 COEFFICIENTI DI TEMPERATURA REVERSIBILI cambiamenti temporanei nel flusso che si verificano quando varia la temperatura dell'ambiente. Quando la temperatura dell'ambiente ritorna normale, il flusso tornerà al suo valore originario. COERCIZIONE la proprietà del materiale magnetico che è funzione del massimo valore della sua forza coercitiva. Un materiale ad alta coercizione è un materiale con un'alta forza coercitiva. CURVA DEL PRODOTTO DI ENERGIA la rappresentazione grafica dell'energia esterna prodotta da un magnete permanente. E' funzione della densità del flusso e della forza demagnetizzante visibile nella curva di demagnetizzazione (BdHd) tracciata contro L induzione Bd. CURVA DI DEMAGNETIZZAZIONE il secondo o il quarto quadrante del maggiore ciclo di isteresi. I punti su questa curva sono designati dalle coordinate Bd e Hd. DEMAGNETIZZAZIONE la parziale o completa rimozione del magnetismo residuo da un corpo. DOMINIO MAGNETICO i dipoli magnetici di dimensioni molecolari che determinano le caratteristiche magnetiche di un magnete permanente. ELETTROMAGNETE un magnete temporaneo, di solito formato da una bobina di filo metallico avvolto attorno ad un nucleo di materiale magnetico morbido (come il ferro). Un elettromagnete produce un campo magnetico solo quando si fa passare la corrente elettrica attraverso la bobina. FATTORE DI DISPERSIONE - F giustifica la dispersione di flusso dal circuito magnetico. E' il rapporto tra il flusso magnetico nella sezione neutra del magnete e il flusso medio presente nel traferro. FLUSSO DI DISPERSIONE la parte di un campo magnetico al di fuori del circuito magnetico utile o designato; misurata in maxwells. FLUSSO MAGNETICO - Ø l'indicazione fisica di una condizione magnetica esistente in un materiale o in un mezzo soggetto ad un'influenza magnetica. Può essere paragonato al flusso di corrente in un circuito elettrico. L unità CG8 per il flusso magnetico e il maxwell (M); l unità SL e il weber (Wb). FLUSSOMETRO uno strumento che usa una bobina di ricerca per misurare i cambiamenti del flusso concatenato. FORZA COERCITIVA - Hc la forza demagnetizzante necessaria per ridurre l induzione residua (Br) a zero in un campo magnetico dopo la magnetizzazione a saturazione, misurata in oersteds. FORZA COERCITIVA INTRINSECA - Hci un'indicazione della resistenza di un materiale alla demagnetizzazione. E' uguale alla forza demagnetizzante che riduce l'induzione intrinseca di un materiale saturo (Bi) a zero; misurata in oersted.

8 FORZA OJ CONTRACCOLPO - Hm la quantità di forza di un campo magnetico corrispondente all'induzione del contraccolpo (Bm); misurata in oersteds. FORZA DI UN CAMPO MAGNETICO - H una misura della quantità magnetica vettoriale che determina la capacita di una corrente elettrica di un corpo magnetico di indurre un campo magnetico in un dato punto; misurata in oersteds. FORZA MAGNETIZZANTE NETTA EFFETTIVA - H la forza magnetizzante necessaria a saturare un materiale magnetico; misurata in oersteds. FORZA MAGNETOMOTRICE - F l'integrale di linea della forza di campo (H) tra due punti qualsiasi. Questa è la forza che tende a produrre un campo magnetico, espressa in gilberts nel sistema CGS e in amperspire nel SI. FORZA MASSIMA DI CAMPO la quantità di forza del campo magnetico che corrisponde al prodotto massimo di energia (BH) max; misurata in oersteds. FORZA RIMANENTE - Hd la quantità di forza di un campo magnetico corrispondente all'induzione rimanente (Bd); misurata in oersteds. GAMMA l unità CGS di basso livello di densità del flusso; gamma equivalgono ad un oersted. GAUSS l unità CGS di induzione magnetica (Densità del flusso). Un gauss equivale ad un maxwell per centimetro quadrato. GAUSSMETRO uno strumento che misura il valore istantaneo dell'induzione magnetica (B). I gaussmetri di solito usano per il loro funzionamento sia l effetto Hall, sia la risonanza magnetica nucleare (NMR), sia il principio della bobina rotante. GILBERT l unità CGS di forza magnetomotrice. Un gilbert equivale alla quantità di forza necessaria a produrre un maxwell di flusso in un circuito magnetico con riluttanza unitaria. INCLINAZIONE DELLA LINEA DI FUNZIONAMENTO Bd/Hd il rapporto tra induzione rimanente e forza demagnetizzante. E' chiamato anche "coefficiente di permanenza", "linea di taglio", "linea di carico" e "permanenza dell'unità". INDUZIONE DI CONTRACCOLPO - Bm l'induzione magnetica che rimane in un materiale magnetico dopo la magnetizzazione e il trattamento per l uso finale; misurata in gauss. INDUZIONE INTRINSECA DI SATURAZIONE - Bis la massima induzione intrinseca possibile in un materiale. INDUZIONE INTRINSECA - BI o J il contributo del materiale magnetico all'induzione magnetica totale (B). E' la differenza vettoriale tra l induzione magnetica nel materiale e l induzione magnetica che esisterebbe in un vuoto sotto la stessa forza di campo (H). Questa relazione si esprime sottraendo il valore di H dal valore di B. INDUZIONE MAGNETICA - B il campo magnetico indotto in un magnete o materiale ferroso da una forza magnetizzante, H. L unità CGS per l induzione magnetica è il gauss; l unita SI è il tesla. Il fenomeno di induzione è una funzione della permeabilità del materiale e della forza magnetizzante applicata. L'induzione magnetica e la somma vettoriale (in ciascun punta all'interno del materiale) della forza del campo magnetico e

9 dell'induzione intrinseca risultante, ed è espressa come la quantità di flusso per area unitaria normale alla direzione della traiettoria magnetica. E' chiamata anche "densità del flusso magnetico". INDUZIONE MAGNETICA MASSIMA - Bo l'induzione magnetica nel punto del massimo prodotto di energia (BH) max; misurata in gauss. INDUZIONE MAGNETICA NEL TRAFERRO - Bg il valore medio di induzione magnetica nell'area del traferro, o l induzione magnetica misurata in un determinato punto del traferro; misurata in gauss. INDUZIONE RESIDUA - Br l'induzione magnetica corrispondente a forza magnetizzante zero in un materiale magnetico dopo la saturazione in un circuito chiuso, misurata in gauss. E' chiamata anche "densità di flusso". LINEA DI FUNZIONAMENTO una linea retta che attraversa l origine di una curva di demagnetizzazione di un magnete permanente, con un'inclinazione di Bd/Hd negativa; chiamata anche "linea del coefficiente di permanenza". LUNGHEZZA DEL MAGNETE - Lm la lunghezza totale del materiale magnetico attraversata in una rivoluzione completa della linea centrale del circuito magnetico; misurata in centimetri. LUNGHEZZA DEL TRAFERRO - I g la lunghezza del tratto della linea centrale di flusso del traferro; misurata in centimetri. MATERIALE A BASSO PRODOTTO DI ENERGIA materiale ferromagnetico a basso prodotto di energia e che si demagnetizza facilmente. E' chiamato anche materiale magnetico "morbido". MATERIALE ANISOTROPO materiale con un asse di magnetizzazione privilegiato. Questa caratteristica si produce durante la lavorazione tramite l orientamento della struttura cristallina e/o l accrescimento del campo magnetico. E' chiamato anche "materiale orientato". MATERIALE DIAMAGNETICO materiale con una permeabilità inferiore a quella di un vuoto. MATERIALE FERROMAGNETICO materiale che presenta fenomeni di isteresi e la cui permeabilità dipende da una forza magnetizzante applicata. MATERIALE ISOTROPO un materiale che ha proprietà magnetiche uguali in tutte le direzioni. E' chiamato anche "materiale non orientato".

10 MATERIALE PARAMAGNETICO materiale con una permeabilità leggermente superiore a quella di un vuoto. MATERIALI MAGNETICI DURI materiali che tendono a resistere alla demagnetizzazione una volta magnetizzati. Tutti i materiali di magnete permanente sono considerati "duri". Sono chiamati anche "prodotti ad alta energia" MATERIALE MAGNETICO MORBIDO materiale ferromagnetico che si demagnetizza molto facilmente; materiali a bassa coercizione, come gli acciai posati di nuovo. MAXWELL l unità CGS del flusso magnetico. Un maxwell equivale ad una linea di flusso magnetico. OERSTED l unità CGS di forza del campo magnetico (H). Un oersted equivale alla forza magnetomotrice di un gilbert per centimetro di traiettoria di flusso. PERDITA DEL NUCLEO la potenza impiegata (come calore) in un materiale magnetico o ferroso quando e soggetto ad una variazione della forza magnetizzante. Espressa in watts/libbre di materiale. PERDITA DI CORRENTE PARASSITA la parte di perdita del nucleo in un materiale, dovuta a correnti circolanti che risultano da un flusso elettromagnetico indotto da induzione magnetica variabile. Un materiale altamente conduttivo sosterrà una corrente parassita più forte per un periodo di tempo relativamente lungo, mentre la corrente parassita in conduttori elettrici scarsi è più debole e tende a ridursi rapidamente, ammesso che esista. PERDITE IRREVERSIBILI demagnetizzazione parziale di un magnete causata dall'esposizione ad alte o basse temperature, campi esterni, o altri fattori. Queste perdite si possono recuperare tramite rimagnetizzazione. I magneti si possono stabilizzare contro perdite irreversibili tramite demagnetizzazione parziale indotta da cicli di temperatura o da campi magnetici esterni. PERMEABILITÀ DI CONTRACCOLPO - URE l inclinazione media del ciclo di isteresi di contraccolpo. E' chiamata anche "ciclo minore". PERMEABILITÀ INIZIALE: l'inclinazione della curva di induzione normale di un materiale a forza magnetizzante zero. (vedi anche "permeabilità). PERMEAMETRO uno strumento che può misurare (e spesso registrare) le caratteristiche magnetiche di un campione. PERMEANZA - P misurato in maxwells per gilbert è il reciproco della R. PERMEABILlTÀ - µ termine generale usato per esprimere varie relazioni tra induzione magnetica (B) e forza di campo (H).

11 PRODOTTO DI ENERGIA - BdHd la quantità di energia che un materiale magnetico può fornire ad un circuito magnetico esterno operando su qualunque punta della sua curva di demagnetizzazione; misurata in megagauss-oersteds. PRODOTTO MASSIMO DI ENERGIA - (BH) max il prodotto massimo di (BdHd) che si può ottenere sulla curva di demagnetizzazione. PUNTO DI CURIE - Tc la temperatura di transizione oltre la quale un materiale perde le sue proprietà magnetiche. PUNTO DI FUNZIONAMENTO il punto su una curva di demagnetizzazione di un magnete permanente definito dalle coordinate Bd e Hd, o il punto all'interno della curva di demagnetizzazione definito dalle coordinate Bm e Hm. RAPPORTO LJO il rapporto tra la lunghezza di un magnete e il suo diametro, o il diametro di un cerchio con area trasversale equivalente. Per geometrie semplici come le barre e le aste, il rapporto dimensionale è collegato all'inclinazione della linea di azione del magnete (Bd/Hd). RILUTTANZA - R quantità che determina la portata di flusso magnetico prodotta da una forza magnetomotrice f. L'inverso della permeanza, è espressa dall'equazione R = F/0 e misurata in gilberts-permaxwell nel sistema CGS e in amperspire-per-weber nel SI. RILUTTANZA CONGIUNTA la resistenza alla conduzione di un campo magnetico causata da collegamenti o interruzioni in un circuito magnetico. In pratica, un traferro che causa degrado nella densità del flusso disponibile nel traferro di funzionamento dell'assemblaggio magnetico. RIMANENZA - Bd l'induzione magnetica che rimane in un circuito magnetico dopo la rimozione di un campo magnetico saturante applicato. Se il circuito incorpora un traferro, la rimanenza sarà inferiore all'induzione residua. E' chiamata anche "induzione rimanente". RITENTIVA la capacità o l incapacità di un materiale di conservare magnetismo dopo che la forza magnetizzante viene rimossa. SATURAZIONE MAGNETICA una condizione che si verifica quando un aumento della forza magnetica (H) non causa un aumento nell'induzione magnetica intrinseca (B). Quando esiste questa condizione, il magnete è completamente carico. SEZIONE NEUTRA la porzione di un magnete permanente definita da un piano che passa attraverso il magnete perpendicolare alla sua linea centrale nel punto massimo di flusso. STABILIZZAZIONE il trattamento di un materiale magnetico affinché ottenga un livello magnetico desiderato e/o raggiunga qualche grado di permanenza di quel livello. La stabilizzazione può consistere nel trattare l assemblaggio magnetico con un campo magnetico esterno o con uno shock o una vibrazione fisica o con temperature estreme o con una qualunque combinazione di questi fattori. (Vedi anche "Trattamento del magnete") TEMPERATURA MASSIMA DI SERVIZIO - Tmax la temperatura massima alla quale si può sottoporre un magnete senza causare cambiamenti permanenti della sua stabilità o integrità strutturale. TRATTAMENTO DEL MAGNETE

12 l'atto di ridurre magneticamente l induzione residua in un assemblaggio magnetico per ottenere un livello di densità di flusso desiderata nel suo traferro di lavorazione. Questo serve anche a proteggere l assemblaggio da influenze esterne di livelli predeterminati che altrimenti tenderebbero a ridurre l induzione residua del magnete. (Vedi anche "stabilizzazione") TRAFERRO la parte di un circuito magnetico che non contiene materiale ferroso o magnetico; questa e la parte del circuito magnetico dove si verificherà l azione magnetica desiderata. VOLUME DEL TRAFERRO - Vg il volume utile d'aria o di materiale non magnetico tra i poli magnetici; misurato in centimetri cubici. WEBER - Wb L unità SL del flusso magnetico

13 CAPITOLO 2 GAUSSMETRI A EFFETTO HALL INTRODUZIONE In questo capitolo saranno trattati i princìpi che sono alla base dell'effetto Hall e delle sonde. Questi dispositivi hanno trovato larga applicazione in industrie e laboratori poiché consentono operazioni accurate ad un costo relativamente basso. STORIA DELL EFFETTO HALL Il principio dell'effetto Hall è conosciuto da molti anni. Fu scoperto nel 1879 da E.W. Hall, lo scienziato americano da cui l effetto prende il nome. Come succede per molte scoperte e invenzioni scientifiche, esso non poté essere sfruttato appieno nel periodo in cui fu scoperto, a causa della mancanza di materiali adatti. Materiali come il bismuto o il germanio si dimostravano promettenti come generatori dell'effetto Hall, ma la loro bassa temperatura causava instabilità che ne limitava l uso. Lo sviluppo di nuovi composti a stato solido come l indio arseniuro (InAs) ha consentito la fabbricazione di sensori Hall stabili, compatti ed economici. COME FUNZIONA UN SENSORE HALL Quando una corrente elettrica corre attraverso un conduttore o un semiconduttore, si sviluppa un voltaggio ad angoli retti rispetto al flusso di corrente quando si applica un campo magnetico perpendicolare al piano della corrente e all'asse di voltaggio. Nei sensori Hall, l ampiezza del voltaggio generato e regolato dalla forza del campo magnetico, dall'ampiezza della corrente applicata e da una costante (chiamata costante Hall) che è funzione della mobilità degli elettroni del materiale. La costante Hall per conduttore puro e molto bassa, mentre quella per alcuni elementi puri e alcune leghe e relativamente alta. Alcuni materiali, pur avendo qualità eccellenti di costante Hall, possono avere altre caratteristiche che limitano il loro uso come componenti per le misurazioni magnetiche. Per esempio, l indio antinomide ha una costante Hall molto alta, ma ha anche un coefficiente di temperatura molto alto. Molti sensori Hall di oggi utilizzano elementi fabbricati con l indio arseniuro e il fosfuro di indio arseniuro, a causa della loro alta mobilità degli elettroni e della bassa sensibilità alla temperatura. Un tipico sensore Hall può avere un coefficiente di temperatura dell'ordine di 0,1 % C.

14 Un buon generatore Hall deve consentire una potenza emf utilizzabile (voltaggio Hall) con una corrente motrice ragionevole. Troppa corrente motrice può causare riscaldamento del sensore, che comporterà errori di misurazione dovuti agli effetti della temperatura. La relazione tra le caratteristiche fisiche ed elettriche di un sensore Hall è espressa dalla seguente equazione: Hi e= K d dove: e = voltaggio Hall (potenza) k = costante Hall del materiale H = campo magnetico applicato i = corrente motrice d = spessore dell elemento FIG. 1 La Figura 1 rappresenta un tipico sensore Hall e la relazione tra i parametri individuali. Probabilmente l'attributo più importante del sensore Hall è la sua capacità di misurare campi magnetici rimanendo in una posizione statica. Non serve alcun movimento del sensore perché esso esegua la sua funzione di misurazione. SONDE A EFFETTO HALL Un sensore Hall base e molto sottile e fragile 1,02 mm x 2,5 mm. Molti sensori di misurazione di qualità vengono intagliati da cristalli InAs prodotti in una fornace. Essi vengono poi molati e smerigliati e quindi montati su una base. Se necessario vengono attaccati dei piombi. In alcuni casi il materiale sensorio viene vaporizzato e depositato su una base secondo la configurazione prescelta. Di solito viene usato l ossido di alluminio come substrato. Questo tipo di fabbricazione fa sì che il sensore abbia un'impedenza superiore a quella ottenuta con materiale a base cristallina. Montare il sensore scoperto su di una base accresce le sue caratteristiche fisiche, ma non lo protegge dall'abrasione o da altri effetti dell'uso normale. Di solito l elemento è protetto da un manicotto esterno di fibra di vetro, fenolico o metallo. Le sonde Hall con fibra di vetro o coperture di fenolico di solito sono da preferirsi a sonde contenenti ottone o altre componenti metalliche quando si effettuano misurazioni magnetiche in vicinanza di circuiti sotto tensione. In questo caso si evitano rischi di shock o danni all'apparecchiatura. Mentre l'incapsulamento del sensore non garantisce contro il danno fisico del sensore, la costruzione semi flessibile delle sonde piatte rappresenta una protezione maggiore dalle sollecitazioni alla curvatura cui è soggetta una struttura rigida. Bisogna ricordare che una volta incrinato, un sensore Hall non si può riparare.

15 SONDE DI CAMPO TRASVERSALE Le sonde di campo trasversali o sonde Hall piatte servono in primo luogo a misurare campi in assemblaggi magnetici che comprendono facce di polo parallele nei loro traferri di funzionamento. Tuttavia, le sonde piatte possono essere usate anche per altri scopi, come la misurazione di campi di dispersione, la determinazione della presenza e del livello di campi trasversali in un campo magnetico orientato in senso assiale, e di fatto qualsiasi altra applicazione che sia idonea fisicamente. La superficie di misurazione è perpendicolare all'area piatta della sonda. Se il campo non è perpendicolare a questa superficie, gli errori di misurazione aumentano. Deviazioni inferiori a 8 gradi causeranno errori inferiori all'1%, quindi bisogna prestare grande attenzione per prevenire errori considerevoli. La Tabella 2 illustra il grado di errore che può verificarsi a causa della mancanza di perpendicolarità tra la superficie sensoria della sonda e il campo magnetico che si sta misurando. TABELLA 2. Errori di misurazione dovuti all'angolo del sensore della sonda piatta ANGOLO TRA LA SUPERFICIE SENSORIA DELLA SONDA E LA DIREZIONE DEL CAMPO % ERRORE 0 0,0% 5 0,4% 10 1,5% 15 3,4% 20 6% 30 13% 45 29% % Non bisogna mai forzare una sonda Hall dentro un'apertura stretta, ne farla piegare o flettere; la tensione meccanica si può trasmettere all'elemento fragile e causarne l incrinazione. Qualsiasi sonda Hall che consiste di un elemento scoperto montato sulla sua base senza alcuna copertura protettiva deve essere maneggiata con estrema cura, poiché anche un solo graffio sulla superficie del sensore può causare un danno irreparabile.

16 Le sonde di campo trasversali variano in spessore da 0,015 pollici a 0,039 pollici (da 0,38 mm a 0,99 mm). Naturalmente le sonde più spesse sono più dure di quelle più sottili. SONDE DI CAMPO ASSIALI Le sonde di campo assiali sono componenti Hall destinati alla misurazione di campi magnetici assiali. La costruzione di una tipica sonda assiale è illustrata nella Figura sotto. Il campo magnetico viene rilevato lungo l asse del tubo o asta che contiene L elemento Hall. Le sonde assiali sono molto più dure delle sonde di campo trasversali, a causa della loro conformazione. II "braccio" della sonda può essere di fatto di qualunque lunghezza, mentre il diametro può variare da circa 0,100 pollici a 0,300 pollici (da 2,5 mm a 7,6 mm). Come per le sonde di campo trasversali, le sonde più grosse sono più dure (e più economiche) delle sonde più piccole. Le sonde di campo assiale possono essere utilizzate per la loro funzione primaria (misurare campi in strutture magnetiche Elemento Hall cilindriche) e per molti altri scopi della misurazione magnetica. La loro durezza permette il loro utilizzo per misurazioni delle Cappuccio protettivo dispersioni in aree limitate, dove una sonda trasversale potrebbe essere facilmente danneggiata. L'errore di misurazione Campo dovuto alla non perpendicolarità del sensore al campo, può verificarsi sia con una sonda assiale sia con una sonda trasversale. Si deve prestare attenzione per assicurarsi che il braccio della sonda sia allineato nella direzione del campo; ciò posizionerà l area sensoria perpendicolarmente al campo. GAUSSMETRO BASE A EFFETTO HALL Una sonda a effetto Hall necessita di alcune apparecchiature esterne per misurare un campo magnetico. Fondamentalmente sono necessari una fonte stabile di corrente motrice e un appropriato indicatore di voltaggio. Il gaussmetro ha una sensibilità relativamente bassa, poiché una tipica sonda InAs a effetto Hall fornisce un voltaggio a circuito aperto di circa 10mV/kilogauss quando il generatore è azionato da una corrente motrice di 100m-A. Questo sarebbe ridotto a circa 7mV se la sonda terminasse in un carico come il millivoltmetro illustrato nel circuito. Un gaussmetro di questo tipo avrebbe una portata in scala al naturale da 1 Kilogauss fino a circa 20 Kilogauss. La densità di flusso più bassa che si può misurare con una certa sicurezza sarebbe intorno ai 100 gauss. Il metro d'arsonval necessario allo strumento dovrebbe avere una loro sensibilità elevatissima - circa 10mV in scala al naturale. Il circuito a equilibrio zero serve all'operatore per compensare il contrappeso della forza elettromotrice (emf) relativo praticamente a tutti i generatori Hall. Il contrappeso è dovuto alla non uniformità del materiale e a collocazioni fisiche leggermente errate dei piombi della forza elettromotrice sul generatore. Il controllo dell'equilibrio permette inoltre all'operatore di compensare eventuali forze elettromotrici (emf) termiche generate nel circuito. Il metro analogico indicherà solo campi statici o a corrente continua (dc); le misurazioni di campi a corrente alternata (ac) necessiterebbero di un metro ac ad alta impedenza o di un oscilloscopio, invece del metro dc illustrato. La misurazione di campi a impulsi necessiterebbe di un oscilloscopio ad accumulazione. I limiti di frequenza sarebbero una funzione degli effetti induttivo e capacitativo della sonda Hall. In generale, un gaussmetro base del tipo illustrato potrebbe misurare campi da dc fino a 20 khz. GAUSSMETRI PRATICI A EFFETTO HALL I gaussmetri a effetto Hall di oggi sono strumenti piuttosto sofisticati che hanno una capacita di misurazione che varia da pochi decimi di gauss a decine di migliaia di gauss. Il gaussmetro con metro indicatorio usa la corrente diretta come mezzo azionante per la sonda Hall e un amplificatore dc aumenta la sua sensibilità. Ciò fa sì che esso possa essere usato per misurare campi magnetici a dc/, magneti permanenti, campi ac e campi a impulsi. Quando è necessaria un'alta sensibilità e un'ampia gamma di misurazioni, e si desidera la raffinatezza di una visualizzazione digitale, il Gaussmetro offre la strumentazione necessaria. Il Modello dispone di

17 corrente motrice ac alla sonda Hall, e la sua amplificazione ac e i circuiti rilevatori di fase consentono di effettuare misurazioni di campi magnetici di alta sensibilità ad ampia gamma. L'amplificazione high-gain ac amplification e la rilevazione di fase riduce al minimo il disturbo che sarebbe altrimenti evidente in circuiteria high-gain circuity di questa tipo. Si possono facilmente misurare campi dc e a magnete permanente oltre a campi ac fino a 1 khz. II Gaussmetro utilizza un modernissimo assemblaggio elettronico ad alta densità che permette di effettuare un'ampia gamma di misurazioni accurate con uno strumento tascabile. Le piccole dimensioni del Modello 2002/3 e 2002/4 con batterie incorporate consentono misurazioni sui campo. La generale accuratezza dei Gaussmetri a effetto Hall dipende da molti fattori: le sonde usate, il tipo di lettura (analogico o digitale), la modalità di misurazione (ac, dc o impulsi), e la forza del campo che si sta misurando. Le caratteristiche di un particolare strumento devono essere studiate per determinare la sua accuratezza per una specifica applicazione. In generale, i gaussmetri come il Modello 2002/3 e 2002/4 sono considerati nella classe tre percento, mentre il Modello 2002/1 e il Modello 2002/2 sono considerati strumenti uno percento. La massima capacità di misurazione di campo è importante quando si devono misurare campi magnetici fluttuanti. La circuiteria incorporata negli strumenti consente di misurare ed analizzare questi campi facilmente. In alcuni casi l uso della modalità di misurazione differenziale può offrire risultati significativi che altrimenti non si potrebbero raggiungere. Per fare ciò è necessario che due sonde Hall siano usate simultaneamente con un gaussmetro. In questo modo, con una sola lettura si possono misurare facilmente e accuratamente piccole variazioni o non uniformità in un campo. Usando questa tecnica si possono determinare differenziali di campo piccoli come 20 parti per milione. Un paio di Gaussmetri con interfacce opzionali possono anche essere usati per misurazioni differenziali rapide; ciò può essere utile per tracciare campi di Immagini a Risonanza Magnetica (MRI).

18 CAPITOLO 3 APPLICAZIONE DEL GAUSSMETRO INTRODUZIONE La versatilità dei gaussmetri a effetto Hall ne consente l utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni. L'uso corretto semplificherà le funzioni di misurazione, consentirà di rilevare le letture con maggiore precisione e ridurrà al minimo il pericolo di danni agli elementi sensori della sonda Hall. I seguenti metodi di applicazione illustreranno alcune delle tecniche che si possono usare per garantire un'efficiente funzionalità. CONTROLLO DEI MAGNETI AD U E A C I magneti permanenti ad U e a C si possono controllare con esattezza, ripetibilità e velocita usando un'attrezzatura semplice, come quella rappresentata nella Figura 11a. L'attrezzatura consiste in una base di ferro dolce ed una sottile piastra distanziatrice di ottone provvista di una fessura per inserire la sonda. La piastra d'ottone dovrebbe essere leggermente più spessa della sonda Hall; la fessura dovrebbe essere della larghezza e profondità necessarie a far passare l estremità della sonda. Si può usare un pezzo di nastro per mascherature per fissare l estremità della sonda nella fessura. Le sonde di campo trasversali si prestano benissimo a questa tipo di servizio per la loro conformazione fisica. Anche i magneti piatti con due poli su una faccia possono essere controllati con questo tipo di apparecchiatura, come si vede nella Figura 11b. Usando un'apparecchiatura, una grande quantità di magneti simili si potranno controllare nelle stesse condizioni (lo stesso traferro e la stessa relazione fisica tra sonda e faccia del magnete per ciascuna misurazione). Il materiale ferroso della piastra di base dovrebbe avere uno spessore da un quarto a mezzo pollice, a seconda della densità di flusso del magnete. Un grosso magnete che presenta un alto livello di densità di flusso potrebbe saturare una piastra di base sottile, quindi avrebbe bisogno di una piastra di base più spessa. La piastra di base dovrebbe essere altamente permeabile, ma magneticamente dolce, affinché non tenda a conservare magnetismo dopo che il magnete di controllo viene rimosso da essa. II ferro Armco, l acciaio svedese e alcune qualità di acciaio laminato a freddo sono materiali soddisfacenti. Gli assemblaggi magnetron spesso comprendono un paio di magneti a C o una simile disposizione di magneti ad anello o piatti. Un metodo comodo per controllare il livello di campo in un assemblaggio magnetron è illustrato nella Figura 12, dove è usato un tubo non magnetico come guida per la sonda assiale Hall. Questa tecnica si può considerare una sorta di analisi di qualità che precede L installazione delle componenti elettroniche sull'assemblaggio magnetico. Questo metodo di controllo consente di determinare in modo veloce e precise la densità di flusso massima e l area di omogeneità. CONTROLLO DEGLI ASSEMBLAGGI DI MAGNETI DI CAMPO ASSIALE I magneti assiali e i loro assemblaggi possono essere controllati senza ricorrere ad adattatori, ma di fatto in ogni caso le misurazioni saranno più esatte se viene usata una guida di qualche tipo con

19 la sonda Hall. Quando si deve misurare una serie di magneti simili per lo stesso parametro, per ottenere letture accettabili è necessario usare un adattatore. Nella Figura 13 è stato inserito un tubo guida in un magnete assiale. La sonda assiale Hall è poi inserita da un'estremità finche l area del sensore viene localizzata nel preciso centro magnetico dell'assemblaggio. Il grafico dell'ampiezza alla base della Figura 13 indica i livelli relativi di densità di flusso sull'asse magnetica quando la sonda viene fatta passare attraverso l assemblaggio. E' importante notare che ci saranno tre letture massime; una quando la sonda entra nel magnete, una al centro, e una quando la sonda esce dall'estremità opposta dell'assemblaggio. Le letture all'entrata e all'uscita del magnete saranno approssimativamente la meta dell'ampiezza della lettura ottenuta al centro della struttura. La densità di flusso al centro è di solito considerata il parametro più importante. Per letture precise, L elemento Hall deve essere mantenuto sempre perpendicolare al campo magnetico durante il controllo. Qualsiasi deviazione dalla perpendicolarità comporterà errori di misurazione in relazione all'angolo formate tra la faccia del sensore e l asse del campo, come spiegato nel Capitolo 2. Una simile sistemazione del tubo si può usare per controllare il livello magnetico in un tubo ad onda mobile (TWT), che di solito è composto da alcuni magneti ad anello caricati assialmente posti da un'estremità all'altra. Un'ulteriore controllo per i TWT consiste nel misurare il campo trasversale nell'assemblaggio, cioè il campo magnetico (se esiste) perpendicolare all'asse del tubo. Un adattatore per questo tipo di controllo consiste in un contenitore che manterrà l estremità della sonda trasversale parallela all'asse del tubo mentre la sonda viene spostata lungo il tubo adattatore. In questo caso si osserverà un campo trasversale all'entrata e all'uscita dell'assemblaggio, ma si dovrebbe osservare una scarsissima densità di flusso in tutto il resto della struttura. La Figura 14 mostra un adattatore di sonda che si può usare per assicurare un corretto allineamento della sonda trasversale mentre essa viene inserita attraverso il magnete assiale. CONTROLLO DEGLI ASSEMBLAGGI DI MAGNETI ROTANTI Si possono usare molti metodi per il controllo degli assemblaggi di magneti permanenti rotanti, come quelli usati nei motori, nei generatori, negli alternatori e negli azionatori di posizione. Il metodo più facile consiste nel porre manualmente l area sensoria della sonda Hall contro le varie facce di polo del rotore che si sta controllando. Ciò è soddisfacente per un controllo di routine, quando si desidera solo un'indicazione generale della densità del flusso magnetico. Un controllo qualitativo necessiterà di apparecchiature di qualche tipo per stabilire una relazione fissa tra la sonda e la faccia del polo. Questo vale soprattutto quando si devono testare rotori simili e paragonare i risultati. viene girato a mano e viene annotata e registrata la lettura massima di ciascuna faccia del polo mentre passa vicino alla sonda. Il procedimento si dovrebbe ripetere con il sensore in posizioni diverse lungo l asse del rotore, per ottenere un quadro completo della generale densità relativa del flusso lungo ciascuna faccia del polo. Questo metodo offre una modalità di misurazione statica o dc. La distanza tra la faccia della sonda e il rotore non è critica, ma deve essere costante per tutte le misurazioni; Un'apparecchiatura semplice che consentirà un alto grado di precisione è illustrata nella Figura 15. L'assemblaggio del rotore

20 una distanza da 1/32 a 1/8 di pollice (da 0,8 a 3,2 mm) è soddisfacente. Una distanza minore permetterà di osservare variazioni minori sulle facce del polo. L'estremità della sonda può essere mantenuta ferma da un pezzo di nastro o da un adattatore meccanico, assicurandosi che non venga esercitata alcuna tensione o pressione contro il sensore. Un metodo più sofisticato di controllo del rotore è illustrato nella Figura 16. Questa apparecchiatura utilizza una sonda assiale tenuta ad una distanza fissa da un rotore che viene girato ad una velocita fissa da un motore elettrico. In pratica si potrebbe usare una sonda trasversale, ma di solito una sonda assiale è più compatibile meccanicamente con questa configurazione. La velocita di rotazione deve rimanere costante durante tutti i controlli per garantire la ripetibilità, poiché il livello di funzionamento del gaussmetro è funzione della velocita di rotazione, del diametro del rotore e di altri fattori. II gaussmetro deve essere posta nella modalità operativa ac durante questa controllo, poiché i poli rotanti offrono un campo ac attraverso la loro polarità magnetica alternata. Se si desidera, la sonda può essere spostata assialmente lungo la faccia del rotore mentre L assemblaggio ruota, assicurandosi di mantenere una distanza fissa tra il sensore e le facce del polo. Ciò permetterà di determinare il livello medio generale. La distanza tra il sensore e la faccia del rotore dovrebbe essere tra 1/16 e 1/4 di pollice (1,6 e 6,4 mm). Assicuratevi che L assemblaggio rotante non tocchi la sonda, al fine di evitare un danno irreparabile al sensore Hall. ANALISI DEGLI ASSEMBLAGGI MAGNETICI L'analisi di un assemblaggio magnetico è di solito compito di un tecnico, anche se a volte sono il personale della produzione o del controllo qualità a dover eseguire questi controlli. La sonda a effetto Hall e il gaussmetro sono adatti ad eseguire misurazioni analitiche per determinare L efficienza di un circuito magnetico. Un tipico assemblaggio magnetico che comprende nel suo circuito componenti di ferro dolce e un magnete è illustrato nella Figura 17. Sono rappresentate normali traiettorie di dispersione adiacenti al magnete, oltre alla dispersione della riluttanza dei giunti e alla dispersione magnetica causata dalla saturazione di alcune componenti ferrose. Qualche dispersione adiacente al magnete permanente è normale, così come qualche dispersione magnetica in un giunto o discontinuità nel circuito. I giunti dove si incontrano componenti magnetiche e ferrose mostreranno una dispersione di flusso proporzionata alla condizione meccanica del giunto; un buon accoppiamento fisico tra magnete e ferro mostrerà bassa dispersione. Quando la quantità di flusso che un componente di ferro deve trasportare eccede la capacità della sua area trasversale, apparirà sulla sua superficie un livello relativamente alto di densità del flusso. Qualsiasi campo magnetico, diverse da quello presente nel traferro di funzionamento, presente sopra o vicino ad un circuito magnetico si può considerare flusso sprecato. Naturalmente nessun circuito sarà efficiente al cento percento, ma un'analisi attenta di un circuito sperimentale può aiutare il progettista ad aumentare l efficienza di una struttura magnetica. AVVERTENZA Indossate sempre occhiali di protezione quando usate trasformatori di carica ad alta corrente. Questo servirà a proteggere gli occhi nel caso in cui sopravvenga un impulso di corrente mentre i contatti del trasformatore non so no stretti adeguatamente; ciò porterebbe alla curvatura del conduttore. Non provate a misurare le forze magnetizzanti all'interno di un trasformatore di carica se non conoscete a fonda le operazioni ad alto voltaggio e le precauzioni che si devono osservare in tali operazioni. Benché le spire del trasformatore di solito siano ben isolate, esse potrebbero essere accidentalmente scoperte per un logoramento o un guasto meccanico.

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