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fisica:esperienze:apparato_ciclo_isteresi

LAB2GO Scienza

Osservazione ciclo di isteresi

Introduzione

L'isteresi è la caratteristica di un sistema di reagire in ritardo alle sollecitazioni applicate e in dipendenza dello stato precedente. Il dominio di Weiss è una piccola area nella struttura cristallina di un materiale ferromagnetico, i cui grani hanno un'orientazione magnetica. Nel momento in cui lo stesso materiale viene sottoposto ad un campo magnetico, i domini di Weiss vengono orientati secondo un'unica direzione. Una volta portato il materiale ferromagnetico nello stato di saturazione si può affermare che esso ha raggiunto una polarizzazione magnetica totale, con la magnetizzazione di tutti i domini di Weiss allineata lungo un'unica direzione. Nello stato smagnetizzato invece la direzione della magnetizzazione all'interno dei domini di Weiss risulta diretta mediamente in modo casuale. Ciò fa reagire in ritardo la forza elettromagnetica.

Le due immagini rappresentano quelli che vengono definiti domini di Weiss ovvero piccole aree della struttura cristallina del materiale ferromagnetico. Ognuna di esse si comporta come un piccolo magnete rappresentato dalla freccia. Nella figura di sinistra in cui non è applicato nessun campo esterno, si può osservare come tutti questi magnetini siano orientati in direzioni differenti e casuali. Non avremo pertanto alcun campo magnetico. Quando invece si applica un campo magnetico esterno, i domini di Weiss tendono ad orientarsi nella direzione dello stesso determinando la magnetizzazione del materiale ferromagnetico e quindi un aumento del campo magnetico totale che dal valore B0 passa al valore B.

Apparato sperimentale

L'apparato sperimentale visibile nella figura in alto può essere schematizzato nel seguente modo:

Possiamo osservare come le linee di campo magnetico, che si formano quando si fa passare corrente elettrica all'interno di una bobina, circolino all'interno del materiale ferromagnetico intorno al quale è avvolta la bobina.

Procedura

Variando la tensione V del generatore, modifichiamo la corrente “I” che scorre nella bobina. Tale corrente produce un campo magnetico B0 che sollecita i domini. Una sonda Hall opportunamente inserita permette di misurare il valore B all'interno del ferro.

Misura del campo B

Si fa uso di una sonda effetto Hall. Inserita in un campo magnetico questo componente elettronico fornisce una tensione elettrica che dipende in maniera lineare dal campo magnetico. Misurando VH (terminale 3) dal grafico si può calcolare il valore di B.

Misura della corrente "I"

In serie alla bobina si pone una resistenza di basso valore, nel nostro caso R2=0.47 OHM. Misurando la sua differenza di potenziale Vr si risale, tramite la legge di Ohm, alla corrente “I” (I=Vr/R2).

Arduino

Le tensioni provenienti dalla sonda (Vh) e dalla resistenza (Vr) vengono mandate alle porte analogiche A0 e A1 di Arduino. Arduino è il micro-controllore ed è usato usato per misurare in maniera continua tali tensioni. Le entrate analogiche di Arduino sono delle porte ADC (analogic-to-digital converter): trasformano un segnale elettrico compreso tra 0 e 5 volt in un valore numerico tra 0 e 1023 (Arduino è a 10 bit : 2^10 = 1024 livelli). All'interno del codice di Arduino, noto Vr si ricava I, noto Vh si ricava B. Tali valori numerici vengono inviati alla porta seriale cui Arduino è connesso.

Codice Arduino

Codice python

Questo qui sotto è il codice scritto in Python che serve per effettuare il grafico in tempo reale : la corrente I sulle ascisse, il campo nel ferro B in ordinate. Il programma legge continuamente dalla porta seriale i valori di I e B inviati da Arduino.

Variando la tensione V del generatore è possibile variare la corrente I che scorre nella bobina.

Il grafico mostrato rappresenta la prima metà del ciclo di isteresi. Possiamo osservare come una volta raggiunta una corrente di 1200 mA, l'intensità del campo magnetico B smette di aumentare. Questo perché il campo magnetico è arrivato a saturazione: i domini di Weiss sono tutti orientati nella stessa direzione ed il campo magnetico è massimo. Quando invece cominciamo a diminuire l'intensità della corrente elettrica notiamo da subito che, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la strada percorsa non è la stessa del primo tratto. Questo perché i materiali ferromagnetici tendono a preservare e mantenere una magnetizzazione.

Sitografia

Link Descrizione
Isteresi Descrive l'isteresi in modo preciso
Domini di Weiss Descrive i domini di Weiss
Youtube Esempio grafico di questo fenomeno
fisica/esperienze/apparato_ciclo_isteresi.txt · Ultima modifica: 2019/09/23 14:30 (modifica esterna)