Magnetostrizione e trasformatori

Vi è mai capitato di trovarvi vicino a un trasformatore elettrico? Probabilmente avrete notato un ronzio prevalente a bassa frequenza. Non è altro che un piccolo fastidio, ma questo suono è la firma udibile di un effetto fisico piuttosto interessante: la magnetostrizione. Questo effetto è importante non solo per capire il funzionamento dei trasformatori, ma anche per questioni legate all'efficienza, alla progettazione e alla scelta dei materiali nell'ingegneria elettrica.

Capire la magnetostrizione

Lamagnetostrizione è una proprietà dei materiali ferromagnetici in cui una variazione della magnetizzazione si traduce in una deformazione meccanica; il materiale si espande o si contrae leggermente quando i domini magnetici si allineano con un campo magnetico applicato. In generale, i nuclei dei trasformatori sono costituiti da laminazioni di acciaio al silicio molto magnetiche e quindi soggette agli effetti della magnetostrizione.

Quando una corrente alternata attraversa la bobina primaria del trasformatore, crea un campo magnetico alternato nel nucleo. I domini magnetici all'interno dell'acciaio si spostano e si allineano ripetutamente con il cambiamento del campo; questa espansione e contrazione ripetuta del materiale avviene a una frequenza doppia rispetto a quella dell'alimentazione CA. Se in America l'alimentazione standard è di 60 Hz, il nucleo d'acciaio vibra a 120 Hz e sviluppa il caratteristico ronzio.

Dai domini microscopici al rumore udibile

Su scala microscopica, si tratta del movimento della parete del dominio: i domini magnetici sono piccoli volumi in cui tutti i momenti magnetici atomici puntano in una direzione. Quando la direzione del campo esterno viene ruotata, i domini ruotano o si spostano in risposta e, sotto questo effetto, avvengono minuscoli cambiamenti nelle dimensioni del reticolo cristallino del materiale di base. Sebbene ogni singola variazione sia minima (meno dello 0,1% di deformazione), l'effetto netto su un nucleo di trasformatore di grandi dimensioni può essere sufficiente a produrre vibrazioni delle lamelle di ferro.

Queste vibrazioni vengono trasmesse al serbatoio d'acciaio del trasformatore e alla struttura che lo circonda, che funge anche da corpo risonante amplificando il suono. Il risultato è il ronzio, così comune nelle case, negli uffici e negli ambienti industriali. L'intensità del ronzio può variare in base alle dimensioni del trasformatore, alla struttura del nucleo e persino alla qualità dei materiali di montaggio e isolamento.

Fattori materiali e magnetostrizione

I nuclei dei trasformatori non ronzano tutti allo stesso modo. La quantità di magnetostrizione varia in base a:

1. Composizione del materiale del nucleo: L'acciaio elettrico standard contiene circa il 3% di silicio che, aumentando la resistività e riducendo le perdite per correnti parassite, modera la magnetostrizione. Un contenuto di silicio più elevato consente in genere di ottenere ceppi magnetostrittivi più bassi e quindi un funzionamento più silenzioso.

2. Orientamento dei grani: L'acciaio al silicio orientato ai grani, comunemente chiamato GOSS, è prodotto in modo che gli assi cristallografici si allineino con la direzione del flusso magnetico; di conseguenza, riduce al minimo le perdite e le vibrazioni meccaniche.

3. Spessore della laminazione: Le laminazioni sottili - circa 0,35 mm per i trasformatori standard - riducono le correnti parassite e distribuiscono gli effetti magnetostrittivi in modo più uniforme.

4. Montaggio meccanico: Un serraggio e uno smorzamento adeguati delle laminazioni e del serbatoio riducono la trasmissione delle vibrazioni e quindi il ronzio udibile.

Implicazioni ingegneristiche

La magnetostrizione non è solo una curiosità acustica, ma ha conseguenze pratiche a livello ingegneristico. Le vibrazioni indotte dalla magnetostrizione possono provocare:

- Stress meccanico: Le ripetute espansioni e contrazioni possono affaticare nel tempo i bulloni, le laminazioni o l'isolamento.

- Perdite di energia: Anche se piccola, una parte dell'energia viene convertita da elettrica a meccanica e infine in calore o suono, riducendo leggermente l'efficienza del trasformatore.

- Inquinamento acustico: Il ronzio dei trasformatori nelle aree urbane può diventare un fattore di irritazione e può diventare un problema normativo, soprattutto per i trasformatori di distribuzione di grandi dimensioni.

Questi effetti sono ridotti dall'uso di nuclei a bassa rumorosità, di migliori materiali smorzanti e di tecniche di laminazione migliorate dagli ingegneri. Alcuni trasformatori moderni utilizzano anche nuclei metallici amorfi; la loro struttura atomica disordinata determina una magnetostrizione significativamente ridotta e quindi un funzionamento più silenzioso ed efficiente.

Ulteriori letture: Energia magnetotermoelettrica: basi e applicazioni

Misurazione e modellazione della magnetostrizione

Ingegneri e ricercatori studiano la magnetostrizione attraverso estensimetri, vibrometria laser e FEM. Questi strumenti consentono di misurare la deformazione magnetostrittiva e l'ampiezza delle vibrazioni con un'elevata precisione, permettendo così di ottimizzare la progettazione del nucleo prima della produzione. Ad esempio, il FEM può simulare come le variazioni dello spessore della laminazione, della geometria del nucleo o della composizione della lega influiscano sulle vibrazioni e sul rumore udibile.

Oltre i trasformatori

La magnetostrizione non è limitata ai trasformatori. Svolge un ruolo nei motori elettrici, nei sensori, negli attuatori e nei dispositivi sonar, dove gli effetti magnetostrittivi controllati vengono sfruttati per ottenere un movimento meccanico preciso. La comprensione della magnetostrizione nei trasformatori fornisce le basi per la progettazione di altri dispositivi che impiegano l'accoppiamento magnetico-meccanico.

Conclusione

Il familiare ronzio di un trasformatore è molto più di un semplice rumore di fondo: è la manifestazione udibile della magnetostrizione, un riarrangiamento microscopico dei domini magnetici che produce vibrazioni macroscopiche. Studiando le proprietà dei materiali, la progettazione del nucleo e le strategie di montaggio, gli ingegneri possono ridurre il ronzio, migliorare l'efficienza e prolungare la durata dei trasformatori.

La magnetostrizione serve a ricordarci che anche nell'ambito di suoni piuttosto prosaici, c'è spesso una base scientifica intrigante, che collega silenziosamente la scienza dei materiali, la fisica e l'ingegneria elettrica in un modo importante ma poco appariscente. La prossima volta che sentirete il ronzio di un trasformatore, ricordate: non è solo rumore, è fisica al lavoro. Per ulteriori informazioni, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).