02-Materiali impiegati in elettrotecnica

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Materiali impiegati in elettrotecnica

L’elettrotecnica classifica i vari materiali impiegati in base alle loro attitudini nei confronti dei fenomeni elettrici e magnetici. Per quanto concerne la conducibilità elettrica come sappiamo, i corpi sono suddivisi in conduttori o isolanti (o dielettrici).

Questa classificazione si fonda sul diverso comportamento dei materiali sotto l’azione dei campi elettrici. Intatti, a differenza di quanto avviene nei dielettrici, una differenza di potenziale applicata fra due punti di un corpo conduttore origina uno spostamento di cariche elettriche tendente ad annullarle. Nei dielettrici, invece, una differenza di potenziale applicata tra due zone superficiali di uno stesso corpo, origina in questo uno stato fisico particolare (polarizzazione dielettrica) che non implica un vero e proprio trasporto di cariche elettriche.

I conduttori metallici (esistono anche conduttori detti comunemente di seconda classe come gli elettroliti) sottostanno alla legge secondo la quale il rapporto fra la conducibilità termica e quella elettrica è costante. Ciò è particolarmente importante pensando che, riferendoci all’effetto Joule, se ad una conducibilità relativamente grande non corrispondesse un proporzionale valore di quella termica, la prima non potrebbe essere sfruttata che limitatamente a causa della sovraelevazione di temperatura.

Negli impianti industriali i materiali più usati come conduttori sono, tra i metalli, il rame e l’alluminio e tra quelli non metallici, il carbone e la grafite.

Per le linee elettriche e gli avvolgimenti delle macchine è particolarmente indicato il rame, “in concorrenza” soltanto, con l’alluminio. Infatti anche l’alluminio ha notevoli proprietà come conduttore perché la sua resistività, piuttosto elevata rispetto a quella del rame (quasi doppia), è compensata dal più basso peso specifico, oltre che dal minor costo: a parità di resistenza un conduttore di alluminio ha una sezione pressoché doppia di uno di rame, ma pesa circa il 40% in meno e quindi costa meno.

Il vantaggio del minor peso è sensibile specialmente per le linee sospese, nelle quali il peso del conduttore grava sui sostegni che naturalmente devono essere fatti più robusti quanto più pesanti sono le campate dei conduttori. Nel caso di linee aeree dobbiamo anche considerare che l’alluminio resiste molto meno bene del rame agli sforzi di trazione e di flessione, per cui per sostenere lunghe campate si ricorre solitamente a corde di alluminio provviste di un’anima di acciaio destinata a sopportare gli sforzi meccanici. Se poi pensiamo di sostituire nelle macchine elettriche, l’alluminio al rame non dobbiamo dimenticare che le considerazioni di ingombro hanno solitamente un aspetto predominante perché la compattezza della macchina è quasi sempre una delle doti che i costruttori cercano di ottenere; e quindi, l’aumento di sezioni che l’alluminio richiede potrebbe anche essere intollerabile.

Il carbone e la grafite sono impiegati in numerose parti di macchine ed apparecchi elettrici con funzioni di conduttori: servono, per esempio, per le spazzole striscianti, dove la relativa morbidezza del materiale è un pregio, perché evita l’usura che nascerebbe dallo strisciare diretto di due metalli l’uno sull’altro.

L’argento, infine, metallo più “nobile” del rame e meno soggetto ad alterazioni dovute agli agenti esterni, trova impieghi molto limitati a causa del costo elevato.

Nel progettare macchine o impianti, fa comodo avere a disposizione i dati sui vari tipi di conduttori (diametri, pesi, conduttività, ecc…) sotto forma di tabella. Ne riportiamo una a titolo d’esempio in Tabella 1.

Ritornando ad un confronto fra materiali conduttori e isolanti, ricordiamo che tutti i corpi sono più o meno conduttori: non vi è un limite netto di separazione nei confronti della resistività fra conduttori e isolanti, esiste cioè tutta una gamma di valori di resistività via via crescenti passando dai migliori conduttori ai migliori dielettrici.

I conduttori ideali dovrebbero presentare resistività zero e i dielettrici ideali resistività infinita. Ovviamente non esistono né gli uni né gli altri, per cui anche nei dielettrici sottoposti a campo elettrico, oltre al fenomeno principale della polarizzazione, esiste anche, in minima parte, quello della conduzione.

La diversità di valori della resistività elettrica dei corpi è dovuta, come sappiamo, alla diversità delle strutture atomiche e molecolari. Tale diversità diventa sostanziale se consideriamo anche che nei conduttori, ad eccezione del carbone e degli elettroliti, la resistività aumenta con la temperatura mentre nei dielettrici il fenomeno è inverso.

Osserviamo che la funzione degli isolanti è perfettamente complementare a quella dei conduttori: se non fossero esistiti questi materiali ad altissima resistività con cui avvolgere i conduttori, non sarebbe stato possibile costruire alcuna macchina o apparecchio elettrico e tanto meno linee elettriche.

La coesistenza di conduttori e isolanti in tutte le macchine elettriche porta ad altre considerazioni: poiché gli isolanti sono molto meno resistenti dei conduttori nei riguardi del riscaldamento, ne consegue che la potenza ricavabile da una macchina è limitata essenzialmente dalla sollecitazione termica negli isolanti che essa contiene. È nata da qui l’opportunità della suddivisione degli isolanti in classi, ad ognuna delle quali compete una data temperatura massima di lavoro come possiamo notare in Tabella 2.

Le temperature massime ammissibili secondo le norme C.E.I. sono ricavabili in base al tipo di raffreddamento di ogni macchina, e quindi in base alla sovraelevazione, rispetto al mezzo raffreddante (temperatura ambiente per la macchina). Convenzionalmente le temperature base sono fissate dalle norme C.E.I. in: 40°C per l’aria o altri gas refrigeranti e 25°C per l’acqua quando quest’ultima rappresenta il mezzo usato quale scambiatore di calore.

Per quanto riguarda i fenomeni magnetici, i materiali sono definiti diamagnetici quando hanno una permeabilità relativa minore di 1, paramagnetici quando hanno permeabilità assoluta poco maggiore di quella dell’aria e relativa poco maggiore di 1. I corpi appartenenti a queste categorie risentono molto debolmente degli effetti magnetici.

Spiccate attitudini magnetiche presentano invece il ferro e le sue leghe e in misura minore, qualche altro metallo, come il nichel e il cobalto: materiali ferromagnetici. Questi si differenziano dai corpi paramagnetici perché oltre ad essere atti a magnetizzarsi in misura molto notevole conservano anche parte del magnetismo indotto. I materiali ferromagnetici, usati prevalentemente nella costruzione di macchine e apparecchi elettrici, in genere si possono distinguere in massici e laminati.

Tranne casi particolari, come materiali massicci sono impiegati il ferro, l’acciaio fuso o fucinato e la ghisa.

I materiali laminati sono costituiti da lamine di piccolo spessore (generalmente 0,5 o 0,35 mm), dette comunemente lamierini, di cui esistono diversi tipi che differiscono per composizione chimica e procedimento di fabbricazione con conseguenti differenze delle proprietà meccaniche, magnetiche e di perdita.

Dato che i materiali massicci possono essere usati solo se soggetti a flusso magnetico costante, nelle strutture in cui si hanno flussi variabili devono essere necessariamente impiegati lamierini, a loro volta, possono essere ordinari e speciali.

Alla prima categoria appartengono i lamierini normali e quelli al silicio con vario tenore di Si a seconda degli usi. Ricordando quanto detto a proposito delle perdite nel corpo delle masse ferrose (perdite per isteresi magnetiche + perdite per correnti parassite o di Foucault), un parametro importantissimo per questi lamierini è la cosiddetta cifra di perdita, che definisce la “qualità” dei vari lamierini.

Essa è definita come la potenza totale assorbita di 1 kg di materiale magnetico (lamierini) sottoposto a magnetizzazione ciclica simmetrica con induzione variabile sinusoidalmente alla frequenza di 50 Hz e con l’ampiezza di 1 Wb/m². Nella Tabella 3 sono riportate le cifre di perdita di alcuni tipi di lamierini con diverse percentuali di silicio.

Oltre a questi, vengono usati nella costruzione delle macchine elettriche anche lamierini non legati, il cui spessore di solito è di 0,5 mm (in alcuni casi anche di 1 o 2 mm). Anche se la cifra di perdita è più alta dei lamierini legati (2 ± 3,6 W/kg), essi sono largamente usati per realizzare i circuiti magnetici delle macchine elettriche rotanti in quanto sono più facilmente lavorabili ed offrono una maggiore permeabilità rispetto ai lamierini con silicio.

Alla seconda categoria (lamierini speciali) appartengono i lamierini a cristalli orientati e quelli ad alta permeabilità iniziale.

I primi, ottenuti per mezzo di particolari sistemi di lavorazione a freddo, hanno cifre di perdita minime (0,5 W/kg), debbono essere utilizzati soltanto nel senso della laminazione (direzione dell’asse dei cristalli) e forniti in rotoli. I secondi, con la singolarità di assumere una permeabilità molto elevata (in qualche tipo μ_r = 80.000 circa) alle basse induzioni (0,2 – 0,5 Wb/m²), sono costituiti da leghe di ferro e nichel, con l’aggiunta a volte di altri elementi quali il manganese, il cobalto, il cromo, il rame, il molibdeno.

I normali formati commerciali dei lamierini possono essere, a seconda dei tipi, 1000 × 2000; 800 × 1600; 800 × 3200 mm.