Una bobina speciale....

[carlopavana]

No è solo una curiosità teorica, nel mio vecchissimo background non era presente una bobina di filo di ferro sia dolce che magnetico alimentata con corrente continua e/o alternata.,

Quando il filo che stavo usando per la connessione sulla breadboard mi è rimasto attaccato al cacciavite megnetzzato, ho subito sorriso e pensato di fare una bobina e provarlo con 5/6 volt alternati, ma sono convalescente e non posso uscire di casa .

Allora ho scritto il post su EY.
Ho trovato una soluzione teorica fatta abbastanza bene da chatgbt e deepseek, ma mi è rimasta una curiosità: la bobina sotto l'effetto del campo magnetico subisce una deformazione, forse si potrebbe usare per un esperimento di compressione piezoelettrica del gas idrogeno. se interessa prendo fuori dal cassetto della memoria una conferenza a cui partecipai il 20 novembre del 2009-
Grazie della vostra cortesia
Carlo

[StefanoSunda]

Buon pomeriggio a tutti.
Sappiamo come costruire una bobina con filo di rame, sappiamo come dimensionarla e come prevedere gli effetti quando è attraversata da una corrente elettrica sia continua che alternata.
Ma al momento non riesco a risolvere gli stessi problemi se il filo, invece ché di rame fosse di ferro, sia ferro che di acciaio cioè che rimanga magnetizzato.
Cose succede se una simile bobina, in filo di ferro o acciaio, viene alimentata in correte continua?
E se fosse alimentata in corrente alternata?
E cosa succede con l'aumentare della frequenza?
Qualche amico ha mai fatto questa esperienza o sa cosa succede in questo ambiente sperimentale?
Grazie Carlo.

Una bobina realizzata con filo di ferro o acciaio non si comporta come una bobina in rame perché il filo è anche ferromagnetico.
In DC: il materiale si magnetizza, può saturare, l’induttanza non è costante e le perdite ohmiche sono maggiori.
In AC: compaiono forti perdite per isteresi e correnti parassite nel filo, con comportamento non lineare e forte riscaldamento.
Aumentando la frequenza: perdite ed effetto pelle crescono rapidamente e l’induttanza effettiva cala.
Per questo, in pratica, si usano spire in rame e materiali ferromagnetici solo come nuclei separati e laminati.

[MarcoD]

Una bobina realizzata con filo di ferro o acciaio non si comporta come una bobina in rame perché il filo è anche ferromagnetico.
In DC: il materiale si magnetizza, può saturare, l’induttanza non è costante e le perdite ohmiche sono maggiori.
In AC: compaiono forti perdite per isteresi e correnti parassite nel filo, con comportamento non lineare e forte riscaldamento.

Per questo, in pratica, si usano spire in rame e materiali ferromagnetici solo come nuclei separati e laminati.

Non sono del tutto convinto, non che i fenomeni descritti non siano presenti, ma potrebbero essere trascurabili rispetto a quelli provocati dallo scorrere della corrente elettrica nella bobina.
Bisognerebbe approfondire con dei dati numerici.

Aumentando la frequenza: perdite ed effetto pelle crescono rapidamente e l’induttanza effettiva cala.

Non dovrebbe essere l'induttanza che cala, ma le perdite che aumentano.

Mi convince l'enunciato che la resistività dell'acciaio è maggiore di quella del rame.

[StefanoSunda]

Hai ragione sul fatto che senza numeri è difficile “pesare” i fenomeni, ma in questo caso l’ordine di grandezza è già sufficiente.

La resistività del ferro è circa 5–6 volte quella del rame, quindi le perdite Joule non sono affatto trascurabili già a parità di geometria.
In AC, inoltre, le perdite per isteresi e correnti parassite crescono con ampiezza del flusso e frequenza, mentre nella bobina in rame sono nulle per definizione.

Il punto chiave è che qui il conduttore coincide con il materiale ferromagnetico: questo rende l’induttanza non lineare, dipendente dalla corrente e dalla storia magnetica, cosa che non può essere “trascurata” se si vuole prevedere il comportamento del componente.

Se questi effetti fossero davvero secondari, l’uso di filo ferromagnetico sarebbe diffuso; invece, in pratica, si separano sempre conduttore e nucleo magnetico, proprio per evitare tali perdite e non linearità.

[gill90]

Aumentando la frequenza: perdite ed effetto pelle crescono rapidamente e l’induttanza effettiva cala.

Non dovrebbe essere l'induttanza che cala, ma le perdite che aumentano.

In realtà il calo dell’induttanza all’aumentare della frequenza è una conseguenza dell’effetto pelle/di prossimità. Qualsiasi sia il conduttore percorso da corrente, prima o poi a qualche frequenza la densità di corrente comincerà a distribuirsi verso l’esterno del conduttore, venendo a mancare quindi una porzione di campo interna che era presente in continua: in DC l’induttanza è più alta perché hai campo interno al conduttore + esterno, ad alta frequenza (quanto alta dipende dallo spessore di penetrazione) hai solo il campo esterno.

Concordo che comunque un quesito del genere è molto difficile da generalizzare, sia per via della forte dipendenza dalla geometria, sia per i parametri magnetici del materiale. Credo che comunque una cosa sicura sia l'aumento delle perdite magnetiche rispetto al filo di rame, poiché qualsiasi materiale che abbia una isteresi magnetica sarebbe sicuramente peggio del rame che ha idealmente permeabilità relativa unitaria e, come dice StefanoSunda, perdite magnetiche nulle.

[MarcoD]

In realtà il calo dell’induttanza all’aumentare della frequenza è una conseguenza dell’effetto pelle/di prossimità.

Continuo a non condividere, ma non sono troppo sicuro.
Occorre precisare l'oggetto del contendere.
Mi riferisco a un solenoide in aria con diametro spire circa uguale all'altezza e le spire distanziate fra loro almeno del diametro del conduttore in modo da considerare trascurabili le capacità parassite.
L'induttanza dovrebbe essere calcolabile dalle dimensioni geometriche con la formula di Nagaoka e dovrebbe essere indipendente dalla natura del materiale delle spire.
Il materiale delle spire e l'effetto pelle influiscono sulle perdite che vengono rappresentate da una resistenza in serie all'induttanza. Questo almeno in prima approssimazione.
Che considerazioni più accurate fareste?

[StefanoSunda]

l modello geometrico vale solo con spire non magnetiche: con spire ferromagnetiche la permeabilità diventa dispersiva quindi aumentano le perdite e la componente induttiva effettiva può ridursi con la frequenza.

[gill90]

Continuo a non condividere, ma non sono troppo sicuro.
Occorre precisare l'oggetto del contendere.

Qualsiasi sia il materiale conduttivo, prima o poi la corrente comincerà a distribuirsi in maniera tale da schermare il campo magnetico prodotto, così da minimizzare l'energia induttiva: il risultato sarà sempre quello di spostare la distribuzione di corrente (che in DC è uniforme) verso l'esterno del conduttore, proprio perché all'interno del conduttore sarà presente un flusso prodotto o dalla spira stessa (si parla di effetto pelle), o da altre spire dell'avvolgimento (si parla di effetto di prossimità).
Dato che la corrente "totale" (integrale) rimane la stessa nell'avvolgimento ma cambia solo la sua distribuzione spaziale, il risultato ad altissima frequenza sarà sempre quello di non avere campo all'interno dei conduttori, poiché essi si comportano da schermi, mentre all'esterno non vediamo variazioni dato che la corrente totale rimane la stessa. Pertanto la componente induttiva associata ad un generico avvolgimento diventa sempre minore all'aumentare della frequenza, venendo a mancare quella (seppur piccola) componente di campo all'interno.

L'induttanza dovrebbe essere calcolabile dalle dimensioni geometriche con la formula di Nagaoka e dovrebbe essere indipendente dalla natura del materiale delle spire.

No. La formula di Nagaoka parte da quella del solenoide ideale e fornisce una compensazione dell'effetto di non idealità dei flussi associati a ogni spira: il campo non è uniforme ma "scappa" anche tra gli avvolgimenti stessi. Quanto sia questa compensazione dipende dalla conformazione del campo, la quale a sua volta dipende dalla geometria e dai materiali: se un materiale non è diamagnetico () il campo avrà una distribuzione diversa, pertanto la formula cessa di essere valida.

Il materiale delle spire e l'effetto pelle influiscono sulle perdite che vengono rappresentate da una resistenza in serie all'induttanza. Questo almeno in prima approssimazione.

In prima approssimazione la resistenza in serie all'induttanza rappresenta le perdite resistive associate al flusso di corrente. Le perdite magnetiche non sono facilmente modellabili con una resistenza perché non sono generalmente lineari. Si può linearizzare il comportamente nel punto di lavoro, ma ad esempio nei trasformatori viene posta in parallelo alla reattanza di magnetizzazione e non in serie perché la potenza associata è pilotata in tensione (cioè, dualmente, in flusso).
La variazione della resistenza a causa dell'effetto pelle ha un andamento in frequenza che è più esponenziale che lineare, ragion per cui si può interpolare in N punti e approssimare l'andamento con una rete di Cauer:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Ci sono anche altre varianti di Cauer e una rappresentazione alternativa (rete di Foster), ma questa è quella fisicamente più intuitiva.
Ogni ramo rappresenta una porzione di spira associata a una corona circolare del conduttore: ogni coppia RL indica quando quella particolare sezione "inizia ad agire" e comincia a schermare il campo, aumentandone la resistenza. Ovviamente in questo schema è tutto interagente e occorre tarare i valori per fittare i punti di interpolazione scelti, piuttosto che ragionare per costanti di tempo associate.

Che considerazioni più accurate fareste?

Generalizzando, direi che una bobina in ferro rispetto a una in rame avrà a bassa frequenza una induttanza più alta (più campo di induzione magnetica all'interno dei conduttori), ma più perdite ohmiche e più perdite magnetiche. L'andamento di questa induttanza in funzione della corrente sarà molto irregolare in quanto la curva BH del ferro è molto variabile, a differenza di quella in rame che è lineare. All'aumentare della frequenza cominciano ad intervenire effetto pelle e prossimità: per entrambe cominceranno ad aumentare le perdite resistive e si ridurrà l'induttanza associata, di quanto rispettivamente però non saprei. A frequenza infinita, le due induttanze saranno uguali perché per entrambe non ci sarà campo interno ai conduttori e rimarrà solo la distribuzione di campo esterna (in entrambi i casi, le correnti saranno asintoticamente degli impulsi di Dirac presenti solo sui bordi del filo).

Per un confronto più qualitativo comunque direi che, fissata la geometria, sia necessario analizzare questi fenomeni con un simulatore agli elementi finiti.

[MarcoD]

Grazie gill90 per le risposte alle mie obiezioni.
Hanno ampliato le mie conoscenze.
Purtroppo oltre a non conoscere bene l'argomento, avevo delle conoscenze errate.

[AlberManR]

Salve a tutti.

Do la mia interpretazione ad "intuito" riguardo l'argomento, intuito significa che in realtà non ho mai fatto studi o esperimenti su una bobina di questo tipo.

Indipendentemente dal fatto che la corrente sia continua o alternata, il campo magnetico che si forma su un conduttore lineare dovrebbe essere perpendicolare al conduttore stesso, una specie di anello nell'aria di campo magnetico richiuso su se stesso ed il conduttore, con la sua corrente, che passa per il suo centro.

Secondo me il campo magnetico all'interno del conduttore dovrebbe essere nullo, quindi il fatto che sia di rame o di materiale magnetico in teoria non dovrebbe fare differenza, ma eventualmente solo la sua resistenza elettrica potrebbe far variare le perdite della bobina stessa.

Realizzando un solenoide si formano anelli in cui scorre corrente ed essendo il campo magnetico perpendicolare alla corrente, si concentra il flusso magnetico all'interno del solenoide che poi fuoriesce da un lato, passa all'esterno in senso contrario e si richiude dall'altra estremità del solenoide.

Anche in questo caso pur essendo il conduttore di materiale magnetico si viene a trovare perpendicolare al flusso magnetico, quindi ad intuito direi che l'influenza della sua conduttività magnetica dovrebbe essere trascurabile.

Questa è la mia opinione.

Saluti a tutti da Alberto