Come funzionano i nuclei magnetici?

I nuclei magnetici sono componenti fondamentali in una vasta gamma di dispositivi elettrici ed elettronici, da trasformatori di potenza e induttori ai motori e ai sensori. Al loro cuore, queste strutture apparentemente semplici sono intricate meraviglie della scienza dei materiali e dell'elettromagnetismo, progettati per concentrarsi e guidare in modo efficiente il flusso magnetico. Per capire come funzionano, dobbiamo approfondire i principi del magnetismo e le proprietà specifiche dei materiali utilizzati.

Le basi del magnetismo e della permeabilità magnetica

Il funzionamento di un nucleo magnetico dipende dal concetto di Permeabilità magnetica ( $\mu$ ), la capacità di un materiale di supportare la formazione di un campo magnetico all'interno di se stesso. In termini più semplici, è una misura della facilità con cui le linee di forza magnetiche possono passare attraverso un materiale. L'aria o il vuoto hanno una permeabilità magnetica ( ${\mu }_0$ ) di approssimativamente $4\pi \times 10^{-7}$ H/M (Henries per metro), che funge da riferimento.

I materiali ferromagnetici, come ferro, nichel, cobalto e le loro leghe, mostrano permeabilità magnetica eccezionalmente elevata, centinaia a migliaia di volte più grandi di quelli dell'aria. Questa caratteristica unica deriva dalla loro struttura atomica, in particolare la presenza di elettroni non accoppiati che fungono da piccoli magneti. In questi materiali, sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, questi magneti atomici (o domini magnetici ) Allinea se stessi, amplificando significativamente il campo magnetico complessivo.

Quando un conduttore che trasporta una corrente elettrica viene avvolto attorno a un materiale centrale, genera un campo magnetico. Se questo materiale centrale ha un'alta permeabilità, "raccoglie in modo efficace" e concentra queste linee di campo magnetico, incanalandole attraverso il suo corpo. Questa concentrazione di flusso è la funzione principale di un nucleo magnetico.

Funzioni e applicazioni chiave

La capacità dei nuclei magnetici di concentrare il flusso magnetico consente diverse funzioni cruciali:

• Aumentata induttanza: In un induttore, una bobina di filo crea un campo magnetico. Senza un nucleo, l'induttanza (la capacità di immagazzinare energia in un campo magnetico) è relativamente bassa. L'introduzione di un nucleo magnetico ad alta permeabilità aumenta drasticamente l'induttanza della bobina, consentendole di immagazzinare più energia e diventare più efficace durante il filtraggio, la messa a punto e lo stoccaggio di energia. L'induttanza ( $L$ ) di una bobina con un nucleo è direttamente proporzionale alla permeabilità del nucleo e al quadrato del numero di curve e inversamente proporzionale alla lunghezza del percorso magnetico.

• Trasferimento di energia efficiente (Transformers): In un trasformatore, due o più bobine sono avvolte attorno a un nucleo magnetico comune. Quando una corrente alternata scorre attraverso la bobina primaria, genera un campo magnetico mutevole che viene guidato in modo efficiente attraverso il nucleo ad alta permeabilità. Questo mutevole flusso magnetico induce quindi una tensione nella bobina secondaria, consentendo un trasferimento efficiente di energia elettrica tra i circuiti, con livelli di tensione aumentati o giù. Il core riduce al minimo Flusso di perdita (linee di campo magnetico che non collegano entrambe le bobine), massimizzando così l'efficienza di accoppiamento.

• Accoppiamento magnetico migliorato (motori e generatori): Nei motori e nei generatori, i nuclei magnetici formano parti dello statore e del rotore, guidando i campi magnetici che producono coppia o generano elettricità. Il nucleo garantisce che le linee di campo magnetico interagiscono efficacemente tra le parti stazionarie e rotanti, portando a una conversione di energia efficiente.

Tipi di nuclei magnetici e loro proprietà

La scelta del materiale del nucleo magnetico è fondamentale e dipende fortemente dall'applicazione prevista, in particolare dalla frequenza operativa e dai livelli di potenza.

1. Nuclei di ferro morbido: Questi sono tra i tipi più semplici e più antichi di nuclei magnetici. Il ferro morbido viene utilizzato a causa della sua permeabilità relativamente elevata e bassa retensività (La sua capacità di trattenere il magnetismo dopo il campo esterno è stato rimosso). Si trovano comunemente negli elettromagneti in cui è richiesto un campo magnetico forte e temporaneo.

2. Nuclei in acciaio al silicio (laminazioni): Per applicazioni CA come Transformers di potenza, acciaio al silicio è il materiale preferito. L'aggiunta di silicio (in genere dallo 0,5% al ​​4,5%) aumenta la resistività e si riduce perdite di base , in particolare Perdite di corrente di Eddy . Per mitigare ulteriormente le correnti parassite, che sono correnti circolanti indotte all'interno del nucleo da un campo magnetico in evoluzione, questi nuclei sono costruiti con fogli sottili o laminazioni che sono isolati elettricamente l'uno dall'altro. Questo spezza i percorsi di corrente vorido, costringendoli a loop più piccoli e riducendo in modo significativo la loro grandezza. Perdite di isteresi , un altro tipo di perdita di core causata dall'energia richiesta per magnetizzare e smagnetizzare ripetutamente il nucleo, sono considerati anche nella selezione dei materiali; L'acciaio al silicio ha un circuito di isteresi relativamente stretto, che indica una minore perdita di energia per ciclo.

3. Nuclei di ferrite: Le ferriti sono composti ceramici composti principalmente da ossidi di ferro mescolati con altri elementi metallici (ad esempio nichel, zinco, manganese). A differenza dei nuclei metallici, le ferriti lo sono isolanti , il che significa che hanno una resistività estremamente elevata. Questa proprietà li rende ideali per Applicazioni ad alta frequenza (Kilohertz a Gigahertz Range) in cui le perdite di corrente elevatore sarebbero proibitive nei nuclei metallici. Le ferriti sono classificate in:

   • Ferriti morbidi: Utilizzato in applicazioni come trasformatori RF, induttori e soppressione dell'EMI. Hanno una bassa coercività (facilmente magnetizzata e smagnetizzata) e perdite relativamente basse alle alte frequenze.

   • Ferriti duri: Utilizzato per magneti permanenti a causa della loro elevata coercività e retensività.

4. Nuclei permalloy: Queste sono leghe di nichel-ferro note per la loro permeabilità magnetica estremamente elevata e bassa coercività, specialmente a basse resistenza al campo magnetico. Sono spesso usati in sensori magnetici sensibili, schermatura magnetica e trasformatori audio di alta qualità in cui sono necessarie prestazioni magnetiche precise.

5. Nuclei amorfi e nanocristallini: Queste sono nuove classi di materiali formati da metallo fuso in rapido raffreddamento, impedendo la formazione di una struttura cristallina. Offrono eccellenti proprietà magnetiche, tra cui permeabilità molto elevata, basse perdite del nucleo e alta densità di flusso di saturazione, rendendole adatte per elettronica di potenza ad alta frequenza e componenti induttivi avanzati.

Perdite di base: una considerazione pratica

Mentre i nuclei magnetici migliorano le prestazioni, non sono perdite. I tipi primari di perdite nei nuclei magnetici in condizioni di corrente alternata sono:

• Perdita di isteresi: Come accennato, questa è l'energia dissipata come calore quando i domini magnetici nel materiale del nucleo si riordinano ripetutamente durante ogni ciclo di magnetizzazione e smagnetizzazione. È proporzionale all'area del ciclo di isteresi del materiale.

• Perdita corrente di Eddy: Queste sono perdite resistive causate da correnti circolanti indesiderate indotte all'interno del materiale centrale stesso dal cambiamento magnetico in evoluzione. Sono ridotti al minimo utilizzando nuclei laminati o materiali ad alta resistività come le ferriti.

Gli ingegneri selezionano meticolosamente materiali e progetti core per ridurre al minimo queste perdite, garantendo la massima efficienza possibile per l'applicazione specifica.

Nuclei magnetici sono componenti indispensabili che sfruttano i principi dell'elettromagnetismo e della scienza dei materiali per controllare e ottimizzare i campi magnetici. La loro capacità di concentrare il flusso, ridurre le perdite e consentire un efficiente trasferimento di energia li rende fondamentali per il funzionamento di innumerevoli sistemi elettronici ed elettrici che alimentano il nostro mondo moderno. Comprendere il loro funzionamento fondamentale e le proprietà di diversi materiali core è essenziale per chiunque stia lavorando o progettando circuiti elettrici.