Cosa è la perdita di isteresi?

Cos'è la perdita di isteresi?

La perdita di isteresi si riferisce alla dissipazione di energia che si verifica nei materiali ferromagnetici (come i nuclei di ferro) a causa dell'effetto di isteresi durante il processo di magnetizzazione. Quando il campo magnetico esterno cambia, la magnetizzazione del materiale ferromagnetico non segue immediatamente il cambiamento del campo magnetico; invece, c'è un ritardo. Specificamente, quando l'intensità del campo magnetico torna a zero, la magnetizzazione non torna completamente a zero ma richiede un campo magnetico inverso per eliminare la magnetizzazione residua. Questo ritardo comporta una dissipazione di energia sotto forma di calore, conosciuta come perdita di isteresi.

Il ciclo di isteresi è una rappresentazione grafica di questo fenomeno, mostrando la relazione tra l'intensità del campo magnetico (H) e la densità di flusso magnetico (B). L'area racchiusa dal ciclo di isteresi rappresenta la perdita di energia per unità di volume del materiale per ogni ciclo completo di magnetizzazione.

Ruolo della perdita di isteresi nei circuiti magnetici

Perdita di energia:

Nei trasformatori, motori e altri dispositivi elettromagnetici, il nucleo è tipicamente realizzato in materiale ferromagnetico. Durante il funzionamento di questi dispositivi, il campo magnetico all'interno del nucleo cambia frequentemente direzione e intensità. Ogni cambiamento nel campo magnetico porta a perdite di isteresi, risultando in una dissipazione di energia sotto forma di calore.

Questa perdita di energia riduce l'efficienza complessiva del dispositivo perché parte dell'energia di ingresso viene sprecata nel riscaldamento del nucleo invece di essere utilizzata per il lavoro previsto.

Aumento di temperatura:

Il calore generato dalle perdite di isteresi può causare un aumento della temperatura del nucleo. Se la temperatura diventa troppo alta, potrebbe danneggiare i materiali isolanti, accorciare la durata del dispositivo o addirittura causarne il guasto.

Pertanto, nella progettazione e nella scelta dei materiali ferromagnetici, è cruciale considerare le loro caratteristiche di isteresi per minimizzare la generazione di calore inutili.

Impatto sulle prestazioni del dispositivo:

Alte perdite di isteresi possono ridurre l'efficienza del dispositivo, specialmente nelle applicazioni ad alta frequenza dove queste perdite sono particolarmente significative. Per migliorare l'efficienza, vengono spesso scelti materiali a bassa coercività e bassa perdita di isteresi come l'acciaio silicio o leghe amorfiche.

In alcuni casi, la progettazione del circuito magnetico può essere ottimizzata per ridurre la frequenza dei cambiamenti della densità di flusso magnetico, minimizzando così le perdite di isteresi.

Calcolo delle perdite di isteresi:

Le perdite di isteresi possono essere stimate utilizzando l'equazione di Steinmetz:

dove, Wh è la perdita di isteresi per unità di volume (watt al metro cubo);

kh è una costante relativa al materiale;

f è la frequenza dei cambiamenti del campo magnetico (hertz);

Bm è la densità di flusso magnetico massima (tesla);

n è un esponente empirico, solitamente compreso tra 1,6 e 2,0.

Riepilogo

La perdita di isteresi è la dissipazione di energia causata dall'effetto di isteresi nei materiali ferromagnetici, manifestandosi principalmente come calore. Nei circuiti magnetici, influenza l'efficienza e l'aumento di temperatura dei dispositivi, quindi è necessario prestare attenzione alla scelta dei materiali e alla progettazione. Scegliendo materiali appropriati e ottimizzando i disegni, le perdite di isteresi possono essere ridotte efficacemente, migliorando le prestazioni complessive e la durata del dispositivo.