CONDUTTORI Nella seguente tabella sono tabulati i valori di resistività e del coefficiente di temperatura per i conduttori più utilizzati: MATERIALE Ω mm 2 / m α [1/ C] Al 0,0260 0,043 Cu 0,0175 0,043 Ag 0,0150 0,0036 costantana 0,5 0,000008 Au 0,021 0,0043 Fe-Si 0,5 0,001 Effetto pelle 1
Effetto pelle. Conseguenza la resistenza in alternata è maggiore che in continua. EFFETTO PELLE x = ρ π µ Per il rame sostituendo i valori delle costanti risulta: in metri Applicando tale relazione al rame si nota che a frequenza industriale (50 Hz), la profondità di penetrazione è di 9,5 mm ; di circa 67 µm per f= 1MHz. f 2
Materiali per contatti In caso di contatti senza arco: per elevate forze di contatto incidono in modo considerevole le pellicole semiconduttrici ed isolanti e la resistività propria del materiale; per forze di contatto modeste (50 100g) ha un influenza notevole anche il parametro durezza del materiale che influenza l estensione della superficie di contatto. I comportamenti individuati fanno ancora preferire contatti di argento. In caso di presenza di arco (relè, interruttori) i materiali devono sopportare resistenze di contatto elevate e devono resistere alle elevate temperature prodotte dall arco. Si usano, in questi casi materiali sinterizzati, rame-tungsteno, argentotungsteno, carbone-tungsteno. Il carbonio Il carbonio è impiegata per la costruzione di contatti striscianti che consentono il passaggio della corrente tra circuiti fissi e circuiti elettrici mobili. I parametri fondamentali dei contatti sono la caduta di tensione di contatto Vc normalmente valutata per il doppio contatto di ingresso e di uscita, la densità di corrente e la massima velocità periferica che il contatto strisciante può sopportare. 3
I contatti I contatti contribuiscono ad aumentare le perdite in parte come perdite elettriche: spesso è lecito porre Vc=2 V. Le perdite meccaniche sono dovute all attrito delle spazzole sul collettore possono essere formulate dalla seguente legge: Pm = µ p A v dove µ è il coefficiente di attrito, p la pressione specifica pari a 150 400 g/cm2, A area complessiva di tutte le spazzole, ν è la velocità periferica. 4
MATERIALI CONTATTI -il carbone duro che presenta elevate cadute di tensione e si ottiene per distillazione dal carbon fossile, sopporta modeste correnti a basse -la grafite naturale con basse cadute di tensione e consente elevate densità di corrente a velocità di collettore elevate; -l elettrografite si ottiene per sublimazione a 2000 C dal carbone e consente di realizzare contatti con caratteristiche elevate; -la metalgrafite si ottiene inglobando polveri metalliche con la grafite, si ottengono basse c.d.t. e elevate densità di corrente. BIMETALLI Come bimetallo si intende un metallo costituito da due lamine, di leghe metalliche caratterizzate da differente coefficiente di dilatazione lineare, sovrapposte e unite rigidamente tra loro. 5
BIMETALLI Le due lamine sono costituite da leghe di Fe- Ni a differente componente di nichel. Il componente a più basso coefficiente di dilatazione è al 35 50% di Ni, quello a coefficiente di dilatazione più alto è in genere una lega con 15 30% di Ni. GLI ISOLANTI Rigidità dielettrica Se il dielettrico frapposto tra le armature di un condensatore è interessato da una differenza di potenziale crescente, gli elettroni sono sottoposti ad una forza sempre maggiore finché gli elettroni si staccano dai nuclei e si muovono come nei materiali conduttori. Negli isolanti il moto avviene in modo violento e con forte sviluppo di calore tanto da dare luogo ad una violenta scarica detta di disrupzione. 6
GLI ISOLANTI Dielettrico Aria secca Vetro Porcellana Gomma Olio trasformatori Vuoto Rigidità dielettrica kv/cm 20 50 3000 200 400 160 500 200 300 ISOLANTI E TEMPERATURA Tutti le proprietà degli isolanti sono influenzate dalla temperatura. In particolare abbassa la rigidità dielettrica, aumenta la costante dielettrica, inoltre accorcia la vita utile dell isolante e limita le caratteristiche meccaniche di molti isolanti. La temperatura è quindi un parametro non favorevole all isolante e per questo motivo i dielettrici non devono funzionare oltre una certa temperatura 7
CLASSE ISOLAMENTO CLASSE Y A E B F H 200 220 250 T C 90 105 120 130 155 180 200 220 250 Principali tipi d isolanti Gli isolanti gassosi hanno la caratteristica che dopo la scarica disruptiva, l isolante riprende le caratteristiche iniziali. Tra gli isolanti allo stato gassoso troviamo l esafloruro di zolfo SF6, l azoto, Freon, idrogeno. Sono usati come gas refrigeranti e isolanti nelle macchine elettriche, negli interruttori e nei cavi. 8
Principali tipi d isolanti I materiali ceramici principalmente porcellana, composti al Titanio e del Berillio sono utilizzati per la costruzione degli isolatori, nei supporti isolanti, nella costruzione dei condensatori. Sono composti molto duri che non possono essere scalfiti dall acciaio. Hanno una rigidità dielettrica di 200-400 kv/cm. Principali tipi d isolanti Gli olii usati in elettrotecnica sono in generale ottenuti dalla distillazione frazionata del petrolio Le resine termoplastiche (PVC ) possono essere rifuse più volte e assumere dopo il raffreddamento una determinata forma. La mica è un isolante naturale inorganico è un silicato di alluminio. La qualità più pregiata è la muscovite. Può essere ridotta in fogli e lamine sottili fino a 10-20 micron. La mica ha delle ottime qualità elettriche con una rigidità dielettrica di 500 600 kv 9
Nomex, Kapton, Mylar Tra i produttori sono diffusi soprattutto i nomi commerciali: il Nomex ( Du pont ) sono fibre e fogli di meta-aramide, che hanno elevata resistenza alle alte temperature, proprietà dielettriche superiori, combinato con un eccellente flessibilità e resilienza. E disponibile in strisce e in fogli. Nomex consente di realizzare eccellenti isolamenti tra le fasi, tra strati di bobine e tra bobine contigue; il Kapton è una pellicola di poliammide in grado di resistere a temperature estreme (400 C); il Mylar è una pellicola di poliestere che offre un bilancio ottimale tra proprietà chimiche, termiche, elettriche e fisiche. Si presta bene a realizzare isolamento tra le fasi e bobine sia filo sia a piattine. Materiali magnetici Sappiamo che se un conduttore rettilineo è attraversato da una corrente elettrica si viene a creare un induzione magnetica B, in particolare in un punto P a distanza r dal conduttore: B 7 I I = 4π 10 = µ 2 o π r 2 π r 10
Permeabilità magnetica µ o = 4π 10 7 = 1.256 10 è detta permeabilità magnetica del vuoto. In generale i materiali immersi in un campo magnetico si magnetizzano in diversa misura secondo le loro propensioni magnetiche. Per caratterizzare queste differenti caratteristiche magnetiche ci si riferisce alla permeabilità magnetica. 6 B = µ H dove B è l induzione magnetica [Wb/m2] mentre H è il campo magnetizzante [A/m] e µ la permeabilità magnetica assoluta del mezzo [H/m]. E possibile introdurre pertanto una permeabilità relativa riferita a quella assoluta del vuoto µ µ = a B r = µ H µ r µ o o 11
diamagnetiche Se è un po' più piccolo di 1, il materiale si dice diamagnetico sono diamagnetici il rame, il piombo, lo zinco, lo stagno paramagnetiche Se è un po' più grande di 1 il materiale si dice paramagnetico: il campo è poco più intenso del campo esterno; sono paramagnetici il platino, l alluminio, il cromo 12
ferromagnetismo se il materiale si dice ferromagnetico: il campo è molto più intenso di quello esterno. Le linee di campo sono pertanto molto addensate nel materiale. Zone di funzionamento ferromagnetico 13
Materiali ferromagnetici Gli elementi con caratteristiche ferromagnetiche sono il Ferro, il Nichel e il Cobalto. Materiale ferromagnetico Ferro Permalloy(Fe-Ni) Acciaio Ferro al Silicio Ghisa Permendur(Fe-Co) ferrite (Mn-Zn) Ferroxcube µr max 2000 20000 50000 4500 7000 90 2000 2000 14
Curva di prima magnetizzazione Curva di prima magnetizzazione La zona 1 rappresenta un primo ginocchio in cui l andamento non è lineare(vedi diagramma a destra), questo andamento è dovuto all inerzia nella crescita dei domini, concordi con il campo H applicato, che è inizialmente più lenta; per tener conto di questo andamento è possibile definire una permeabilità iniziale µi utile soprattutto per i magneti utilizzati nei segnali; la zona 2 rappresenta il tratto di funzionamento lineare in cui tra H e B sussiste una proporzionalità diretta, la zona 3 individua il ginocchio mentre il tratto 4, la zona in cui il materiale raggiunge la saturazione per cui aumentando H non si ottengono sostanziali variazioni di B, essendosi tutti i domini di Weiss già orientati nella direzione di H. 15
isteresi Il ciclo d isteresi si può spiegare con il fatto che per H=0 non tutti i domini sono ritornati alla posizione iniziale ma rimangono orientati nel senso del campo applicato Lamiere a grana orientata Le lamiere a grana orientata (1933) si ottengono da laminazione a freddo da lamiere al Silicio 3% provenienti dalla laminazione a caldo dei lingotti. Partendo da lamiere di spessore di 3mm prodotte dalla laminazione a caldo si arriva a ottenere per laminazione a freddo un nastro d acciaio dello spessore di 0,35 mm e larghezza massima di 1,9 m. 16
Grana orientata Caratteristiche Lamiera normale Legate Extralegate a grana orientata Spessore mm 0,5 1 1,5 0,5 0,35 0,5 0,35 Induzione B25(H=25 As/cm) magnetica B50(H=50 As/cm) 1,53 1,63 1,47 1,57 1,43 1,55 1,75 1,84 Silicio 0,6 2,2 2,6 3,8 4,2 2,6 cifra di perdita 3,6 8 2,3 1,3 1,7 0,5 Carico di rottura in kg/mm2 30 45 56 40 Costo relativo 1 1,06 2,43 2,7 17
Materiali ferromagnetici Dolci e Duri I materiali ferromagnetici possono essere suddivisi secondo la forma del ciclo d isteresi in dolci e duri I materiali dolci, per esempio il ferro, possiedono un ciclo d isteresi alto e stretto e quindi: elevata µmax (per il Ferro ARMCO µmax=7000 e µi=250) elevata Br Basso Hc piccolo area del ciclo e quindi piccole perdite I materiali ferromagnetici duri I materiali ferromagnetici duri, Nichel e cobalto, presentano un ciclo d isteresi abbastanza tozzo basso µmax (per il Nichel µmax=2500 e µi=150) media Br alto Hc grande area del ciclo e quindi perdite consistenti La magnetizzazione residua può essere alterata solo con campi d intensità elevata. 18
Magneti permanenti 1- metallici (Alnico, Ticonal, ecc.) con Br 1,2 [ T ], Hc 100 [ka/m], BHmax 50 [kj/m3]; sono stati i primi PM, ma non sono in pratica più utilizzati a causa del basso Hc e dell'andamento di B(H) nel secondo quadrante, che presenta il ginocchio in prossimità di Br ; 2- ceramici (ferriti) con Br 0,4 [T], Hc 300 [ka/m], BHmax 30 [kj/m3]; largamente usati per il loro basso costo e perchè presentano il ginocchio in prossimità di Hc ; al samario-cobalto (SmCo5 Sm2Co17) con Br 1 [T], Hc 1.500 [ka/m], BHmax 200 [kj/m3] e assenza del ginocchio nel secondo quadrante; poco usati, in quanto molto costosi; al neodimio-ferro-boro (NdFeB); rappresentano l'ultima generazione di PM e sono in notevole espansione in quanto abbinano ottime caratteristiche magnetiche (migliori di quelle dei magneti al samario-cobalto) a costi più contenuti. 19
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