Propagazione campo elettrico

Propagazione campo elettrico Nello spazio l intensità del campo elettrico diminuisce all aumentare della distanza dalla linea e dell altezza dei conduttori. Il campo elettrico ha la caratteristica di essere facilmente schermabile da oggetti quali legno, metallo, ma anche alberi ed edifici. Nello specifico tra l esterno e l interno di un edificio si ha una riduzione del campo elettrico che è in funzione del tipo di materiale e delle caratteristiche della struttura edilizia. Ad esempio se al di sotto una linea a 380 kv si possono misurare valori di campo elettrico di 4,5 5 kv/m, all interno di edifici posti nelle vicinanze della linea si riscontrano livelli di campo da 10 a 100 volte inferiori, a seconda della struttura del fabbricato e del materiale usato per la costruzione.

Propagazione campo magnetico L intensità del campo magnetico dipende invece proporzionalmente dalla corrente circolante. Per una linea elettrica tale corrente è variabile nel tempo in dipendenza dalle richieste di energia e, mediamente, può assumere valori da alcuni Ampere ad un migliaio di Ampere, a seconda della linea elettrica. Anche l intensità del campo magnetico diminuisce nello spazio all aumentare della distanza dalla linea e dell altezza dei conduttori. A differenza del campo elettrico, però, il campo magnetico non è schermabile dalla maggior parte dei materiali di uso comune, per cui risulta praticamente invariato all esterno e all interno degli edifici. Ad esempio se si misurano livelli di campo magnetico di 15 20 µt (microtesla) sotto una linea a 380 kv, all interno di edifici vicini i valori di campo rilevati risultano praticamente invariati.

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Metodi di schermatura del campo magnetico La schermatura di un campo magnetico a bassa frequenza non è un'operazione semplicissima, ma è comunque possibile attraverso l'uso di fogli, nastri, piastre o di materiale ferromagnetico ad elevata permeabilità (come ad esempio il ferro dolce ), oppure di materiale conduttore ad elevata conducibilità elettrica (come ad esempio il rame, alluminio, acciaio ad elevate caratteristiche magnetiche).

Simulazione di un campo magnetico di una spira percorsa da corrente in assenza di schermi - Politecnico di Torino

Lo schermo L'efficacia di uno schermo dipende da diversi parametri quali: lo spessore, l'estensione, la distanza dalla sorgente, la permeabilità e conducibilità del materiale, l'applicazione e la (inter)connessione delle singole parti che lo costituiscono, l'orientamento del campo inducente

Schermi chiusi / aperti Poiché gli schermi materiale ferromagnetico ad elevata permeabilità tendono ad assorbire il flusso, anziché rifletterlo come fanno gli schermi conduttori, ne conseguono le seguenti prime conclusioni: utilizzando materiale ferromagnetico ad elevata permeabilità occorre realizzare schermi di forma chiusa formando strutture che circondino il più possibile le sorgenti in modo così da aumentarne l'efficacia, soprattutto nelle vicinanze della sorgente stessa; utilizzando materiale conduttore ad elevata conducibilità elettrica si possono invece realizzare schermi aperti, in modo da ottenere significativi risultati, soprattutto ad una certa distanza dalle sorgenti.

Schermi ferromagnetici I materiali ferromagnetici ad elevata permeabilità, avendo una permeabilità più elevata rispetto a quella dell'aria, offrono una via preferenziale al campo magnetico. In questo modo indirizzano le linee di flusso del campo magnetico lontano dalla zona intorno alla sorgente da schermare. La loro efficacia schermante è pertanto elevata nelle immediate vicinanze dello schermo, mentre diminuisce d intensità all'aumentare della distanza dallo schermo stesso. Operando a basse frequenze, per ottenere schermature efficaci, occorre utilizzare una notevole quantità di materiale ferromagnetico determinando pesi e ingombri molto elevati. L'impiego di tali schermi è quindi da preferire per aree di dimensioni ridotte e nel caso sia importante ottenere l'effetto di mitigazione nelle zone più vicine alla sorgente. I parametri che bisogna valutare nella scelta di uno schermo ferromagnetico sono i seguenti:

1 La permeabilità magnetica del materiale impiegato, più è elevata e maggiore è l'efficacia schermante;

2 Lo spessore delle lamiere utilizzate è ininfluente in un range tra 5 e 10 mm (ipotizzando l'uso di acciaio comune), ma diventa un fattore importante se si scende al di sotto dei 2 mm, soglia sotto la quale l'efficacia schermante si riduce drasticamente;

3 La conducibilità elettrica del materiale usato, infatti se è elevata, allo schermo magnetico si aggiunge anche un effetto come schermo conduttore, dovuto alle correnti indotte;

4 L'estensione di uno schermo magnetico e la sua efficacia schermante vanno di pari passo. Importante rimane che lo schermo avvolga la sorgente, anche se non va trascurato l'effetto di concentrazione di campo lungo i bordi dello schermo, dove il campo stesso può essere anche maggiore di quello iniziale;

5 Se diminuisce la distanza tra la sorgente e lo schermo, l'efficacia schermante migliora;

6 Sono importanti, oltre che le dimensioni, anche la posizione e la forma dello schermo. Infatti, uno schermo magnetico di forma piana reagisce solo alla componente del campo magnetico ad esso parallela e quindi è importante studiare l'orientamento del campo inducente.

Simulazione di un campo magnetico di una spira percorsa da corrente in presenza di schermo magnetico - Politecnico di Torino

Schermi Conduttori Negli schermi conduttori, i campi magnetici variabili inducono delle correnti parassite le quali, a loro volta, creano un campo magnetico che si oppone a quello inducente. L'impiego di materiali conduttori è particolarmente indicato quando si debbano ottenere riduzioni di campo magnetico, non solo nelle immediate vicinanze della sorgente (come fanno gli schermi ferromagnetici), ma anche a distanze maggiori. I parametri che bisogna valutare nella scelta di uno schermo conduttore sono i seguenti:

1 L'efficacia schermante cresce linearmente con lo spessore del materiale utilizzato. Questo vale fino a spessori di 9 mm per il rame e di 12 mm per l'allumino, corrispondenti alla massima profondità di penetrazione delle correnti parassite all'interno dei due metalli. E' evidente allora che uno spessore aggiuntivo a questi provoca solamente un aumento di peso e di ingombro, senza alcun miglioramento effettivo dello schermo;

2 L'efficacia schermante aumenta con la conducibilità del metallo impiegato. Da questo lato è sicuramente preferibile il rame, ma la minore efficacia dell'alluminio può essere compensata da uno spessore superiore, essendo il suo peso specifico inferiore (in linea di massima, lastre di alluminio dello spessore di 5 mm sono equivalenti a lastre di rame dello spessore di 3 mm);

3 L'estensione di uno schermo conduttore e la sua efficacia schermante vanno di pari passo. Occorre infatti fare in modo che lo schermo avvolga il più possibile la sorgente di campo;

4 Anche in questo caso, se diminuisce la distanza tra la sorgente e lo schermo, migliora l'efficacia schermante;

5 Il miglioramento della continuità elettrica fra gli elementi che costituiscono lo schermo, migliora l'efficacia schermante, per cui è meglio saldare fra di loro le parti piuttosto che realizzare normali connessioni elettriche;

6 Anche in questo caso sono importanti, oltre che le dimensioni, anche la posizione e la forma dello schermo. Infatti, uno schermo conduttore di forma piana reagisce solo alla componente del campo magnetico ad esso perpendicolare e quindi è importante studiare l'orientamento del campo inducente.

Simulazione di un campo magnetico di una spira percorsa da corrente in presenza di schermo conduttore - Politecnico di Torino

Confronto Nessuna delle due soluzioni è sempre migliore dell'altra, ma vanno valutati caso per caso tutti i fattori che possono influenzare il risultato, che sono, oltre all'efficacia nell'attenuazione del campo, anche il costo, le dimensioni, il peso, l'ingombro, la facilità di posa in opera. Va infine tenuta in considerazione la possibilità di sfruttare entrambe le soluzioni.

Prodotti commerciali per la schermatura dei campi magnetici Come visto è possibile effettuare una schermatura di qualsiasi frequenza utilizzando tecniche diverse. Normalmente per le basse frequenze si impiegano dei materiali ad alta permeabilità magnetica, per frequenze più elevate si utilizzano invece materiali ad elevata conducibilità elettrica (= bassa resistività).

Mumetal Uno dei materiali maggiormente usati è il Mumetal, una particolare lega ad alta permeabilità magnetica composta per l 80% da Ni (nichel), per il 15% da Fe (ferro) e per il 5% da Mo (molibdeno), con tracce di Si (silicio), Mn (manganese) e C (carbonio).

Confronto Per un agile confronto di seguito si riportano le caratteristiche dei metalli più comunemente utilizzati per le schermature

Nota a margine S Siemens (unità di misura della conduttanza elettrica), è l inverso della resistenza, ovvero A/V H Henry (unità di misura della permeanza, nonché dell induttanza), data da V*s/A

G-IRON H.I.F. (High Intensity Field) È un materiale magnetico dolce ad alta permeabilità ed alto punto di saturazione (Bs=2,12 Wb/m²), Permeabilità magnetica iniziale di 500 µh/m e permeabilità magnetica relativa di 5000 µh/m. Utilizzabile nell intervallo di frequenza da 0 Hz a 1.000 Hz. La composizione del materiale è per il 99,85% (minimo) ferro puro. Altri elementi in lega, unitamente ad un particolare ciclo produttivo, conferiscono al materiale, oltre all alta permeabilità, le seguenti caratteristiche: non invecchia magneticamente, è isotropo, ha uno stretto ciclo di isteresi, sopporta alte deformazioni meccaniche mantenendo le caratteristiche magnetiche, è particolarmente indicato nei casi in cui la schermatura debba essere applicata a ridosso di una sorgente di forte intensità e con campo distribuito su più di un asse ortogonale. È infine possibile ottenere attenuazioni elevate anche su sorgenti multiple, assemblando opportunamente il materiale.

G-IRON H.I.F. (High Intensity Field)

Skudotech Attualmente, per schermare campi magnetici a bassa frequenza ed a breve distanza dalla sorgente, si ricorre spesso a prodotti costituiti da sostanze ferromagnetiche (Fe, Ni, Co) e/o loro leghe. Il prodotto citato, costituito appunto da una lega trattata chimicamente e termicamente, ha come caratteristica saliente il ridotto spessore: da 0,1 a 0,5 mm. La permeabilità iniziale è di 33.000 µh/m mentre la massima di 327.000 µh/m. Il fattore di attenuazione raggiunge anche il 98%, tra 35 e 40 db. La sua lavorazione, durante la costruzione di sistemi schermanti, necessità di particolare attenzione per evitare perdite di potere schermante; il sistema consigliato è l incollaggio su supporti rigidi o semirigidi, purché elettricamente isolati. Non necessita di messa a terra.

Piastre composte ad alto spessore 6,4 mm (HT: High Thickness) Queste piastre sono ottenute dall accoppiamento di due materiali: ferromagnetico e conduttivo. Con tali prodotti è possibile realizzare schermature di elevata efficienza, sia vicino allo schermo (dovuto all effetto ferromagnetico), sia lontano dallo schermo (dovuto all effetto conduttivo). Lo spessore complessivo della piastra è pari a 6,4 mm con strati aventi le seguenti caratteristiche: primo strato, materiale ad alta permeabilità magnetica composto da 4 piastre sovrapposte da 0,35 mm cadauna; secondo strato, materiale ad elevata conducibilità elettrica delle spessore di 5 mm.

Il fattore di schermatura (numero variabile da 0 a 100%), ovvero il rapporto tra intensità del campo magnetico in un punto prima e dopo l installazione di un sistema schermante tra la sorgente ed i punti di rilievo, è il seguente