Campi elettromagnetici a bassa frequenza

Propagazione – campo elettrico
Nello spazio l´intensità del campo elettrico diminuisce
all’aumentare della distanza dalla linea e dell’altezza dei
conduttori.
Il campo elettrico ha la caratteristica di essere
facilmente schermabile da oggetti quali legno, metallo,
ma anche alberi ed edifici. Nello specifico tra l´esterno e
l’interno di un edificio si ha una riduzione del campo
elettrico che è in funzione del tipo di materiale e delle
caratteristiche della struttura edilizia. Ad esempio se al di
sotto una linea a 380 kV si possono misurare valori di
campo elettrico di 4,5 ÷ 5 kV/m, all’interno di edifici posti
nelle vicinanze della linea si riscontrano livelli di campo
da 10 a 100 volte inferiori, a seconda della struttura del
fabbricato e del materiale usato per la costruzione.
Propagazione – campo magnetico
L’intensità del campo magnetico dipende invece
proporzionalmente dalla corrente circolante. Per una
linea elettrica tale corrente è variabile nel tempo in
dipendenza dalle richieste di energia e, mediamente,
può assumere valori da alcuni Ampere ad un migliaio di
Ampere, a seconda della linea elettrica.
Anche l´intensità del campo magnetico diminuisce nello
spazio all’aumentare della distanza dalla linea e
dell’altezza dei conduttori. A differenza del campo
elettrico, però, il campo magnetico non è schermabile
dalla maggior parte dei materiali di uso comune, per
cui risulta praticamente invariato all´esterno e all´interno
degli edifici. Ad esempio se si misurano livelli di campo
magnetico di 15 ÷ 20 µT (microtesla) sotto una linea a
380 kV, all´interno di edifici vicini i valori di campo rilevati
risultano praticamente invariati.
Sorgenti domestiche
E allora….?
Spray contro le onde
elettromagnetiche?
Apposito
dispositivo?
Tormalina Nera?
(cristalloterapia)
Metodi di schermatura del
campo magnetico
La schermatura di un campo magnetico a
bassa frequenza non è un'operazione
semplicissima, ma è comunque possibile
attraverso l'uso di fogli, nastri, piastre o di
materiale ferromagnetico ad elevata
permeabilità (come ad esempio il ferro
“dolce”), oppure di materiale conduttore
ad elevata conducibilità elettrica (come
ad esempio il rame, alluminio, acciaio ad
elevate caratteristiche magnetiche).
Simulazione di un campo magnetico di una spira percorsa
da corrente in assenza di schermi - Politecnico di Torino
Lo schermo
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L'efficacia di uno schermo dipende da diversi
parametri quali:
lo spessore,
l'estensione,
la distanza dalla sorgente,
la permeabilità e conducibilità del materiale,
l'applicazione e la (inter)connessione delle
singole parti che lo costituiscono,
l'orientamento del campo inducente
Schermi chiusi / aperti
Poiché gli schermi materiale ferromagnetico ad
elevata permeabilità tendono ad assorbire il flusso,
anziché rifletterlo come fanno gli schermi conduttori, ne
conseguono le seguenti prime conclusioni:
• utilizzando materiale ferromagnetico ad elevata
permeabilità occorre realizzare schermi di forma chiusa
formando strutture che circondino il più possibile le
sorgenti in modo così da aumentarne l'efficacia,
soprattutto nelle vicinanze della sorgente stessa;
• utilizzando materiale conduttore ad elevata
conducibilità elettrica si possono invece realizzare
schermi aperti, in modo da ottenere significativi risultati,
soprattutto ad una certa distanza dalle sorgenti.
Schermi ferromagnetici
I materiali ferromagnetici ad elevata permeabilità , avendo
una permeabilità più elevata rispetto a quella dell'aria, offrono
una via preferenziale al campo magnetico.
In questo modo “indirizzano” le linee di flusso del campo
magnetico lontano dalla zona intorno alla sorgente da
schermare. La loro efficacia schermante è pertanto elevata
nelle immediate vicinanze dello schermo, mentre diminuisce
d’intensità all'aumentare della distanza dallo schermo stesso.
Operando a basse frequenze, per ottenere schermature
efficaci, occorre utilizzare una notevole quantità di materiale
ferromagnetico determinando pesi e ingombri molto elevati.
L'impiego di tali schermi è quindi da preferire per aree di
dimensioni ridotte e nel caso sia importante ottenere l'effetto
di mitigazione nelle zone più vicine alla sorgente.
I parametri che bisogna valutare nella scelta di uno schermo
ferromagnetico sono i seguenti:
1
La permeabilità magnetica del materiale
impiegato, più è elevata e maggiore è
l'efficacia schermante;
2
Lo spessore delle lamiere utilizzate è
ininfluente in un range tra 5 e 10 mm
(ipotizzando l'uso di acciaio comune), ma
diventa un fattore importante se si scende
al di sotto dei 2 mm , soglia sotto la quale
l'efficacia schermante si riduce
drasticamente;
3
La conducibilità elettrica del materiale
usato, infatti se è elevata, allo schermo
magnetico si aggiunge anche un effetto
come schermo conduttore, dovuto alle
correnti indotte;
4
L'estensione di uno schermo magnetico
e la sua efficacia schermante vanno di pari
passo. Importante rimane che lo schermo
avvolga la sorgente, anche se non va
trascurato l'effetto di concentrazione di
campo lungo i bordi dello schermo, dove il
campo stesso può essere anche maggiore
di quello iniziale;
5
Se diminuisce la distanza tra la sorgente
e lo schermo, l'efficacia schermante
migliora;
6
Sono importanti, oltre che le dimensioni,
anche la posizione e la forma dello
schermo. Infatti, uno schermo magnetico
di forma piana reagisce solo alla
componente del campo magnetico ad
esso parallela e quindi è importante
studiare l'orientamento del campo
inducente.
Simulazione di un campo magnetico di una spira percorsa da
corrente in presenza di schermo magnetico - Politecnico di Torino
Schermi Conduttori
Negli schermi conduttori, i campi magnetici
variabili inducono delle correnti parassite le
quali, a loro volta, creano un campo magnetico
che si oppone a quello inducente. L'impiego di
materiali conduttori è particolarmente indicato
quando si debbano ottenere riduzioni di campo
magnetico, non solo nelle immediate vicinanze
della sorgente (come fanno gli schermi
ferromagnetici), ma anche a distanze maggiori.
I parametri che bisogna valutare nella scelta di
uno schermo conduttore sono i seguenti:
1
L'efficacia schermante cresce linearmente con lo
spessore del materiale utilizzato. Questo vale
fino a spessori di 9 mm per il rame e di 12 mm
per l'allumino, corrispondenti alla massima
profondità di penetrazione delle correnti
parassite all'interno dei due metalli. E' evidente
allora che uno spessore aggiuntivo a questi
provoca solamente un aumento di peso e di
ingombro, senza alcun miglioramento effettivo
dello schermo;
2
L'efficacia schermante aumenta con la
conducibilità del metallo impiegato. Da
questo lato è sicuramente preferibile il
rame, ma la minore efficacia dell'alluminio
può essere compensata da uno spessore
superiore, essendo il suo peso specifico
inferiore (in linea di massima, lastre di
alluminio dello spessore di 5 mm sono
equivalenti a lastre di rame dello spessore
di 3 mm);
3
L'estensione di uno schermo conduttore e
la sua efficacia schermante vanno di pari
passo. Occorre infatti fare in modo che lo
schermo avvolga il più possibile la
sorgente di campo;
4
Anche in questo caso, se diminuisce la
distanza tra la sorgente e lo schermo,
migliora l'efficacia schermante;
5
Il miglioramento della continuità elettrica
fra gli elementi che costituiscono lo
schermo, migliora l'efficacia schermante,
per cui è meglio saldare fra di loro le parti
piuttosto che realizzare normali
connessioni elettriche;
6
Anche in questo caso sono importanti,
oltre che le dimensioni, anche la
posizione e la forma dello schermo.
Infatti, uno schermo conduttore di forma
piana reagisce solo alla componente del
campo magnetico ad esso perpendicolare
e quindi è importante studiare
l'orientamento del campo inducente.
Simulazione di un campo magnetico di una spira percorsa da
corrente in presenza di schermo conduttore - Politecnico di Torino
Confronto
Nessuna delle due soluzioni è sempre
migliore dell'altra, ma vanno valutati
caso per caso tutti i fattori che possono
influenzare il risultato, che sono, oltre
all'efficacia nell'attenuazione del campo,
anche il costo, le dimensioni, il peso,
l'ingombro, la facilità di posa in opera. Va
infine tenuta in considerazione la
possibilità di sfruttare entrambe le
soluzioni.
Prodotti commerciali per la
schermatura dei campi magnetici
Come visto è possibile effettuare una
schermatura di qualsiasi frequenza
utilizzando tecniche diverse. Normalmente
per le basse frequenze si impiegano dei
materiali ad alta permeabilità magnetica,
per frequenze più elevate si utilizzano
invece materiali ad elevata conducibilità
elettrica (= bassa resistività).
Mumetal®
Uno dei materiali maggiormente usati è il
Mumetal®, una particolare lega ad alta
permeabilità magnetica composta per
l’80% da Ni (nichel), per il 15% da Fe
(ferro) e per il 5% da Mo (molibdeno), con
tracce di Si (silicio), Mn (manganese) e C
(carbonio).
Confronto
Per un agile confronto di seguito si riportano
le caratteristiche dei metalli più
comunemente utilizzati per le schermature
Nota a margine
• S – Siemens (unità di misura della
conduttanza elettrica), è l’inverso della
resistenza, ovvero A/V
• H – Henry (unità di misura della
permeanza, nonché dell’induttanza), data
da V*s/A
G-IRON H.I.F.
(High Intensity Field)
È un materiale magnetico dolce ad alta permeabilità ed alto punto
di saturazione (Bs=2,12 Wb/m²), Permeabilità magnetica iniziale di
500 µH/m e permeabilità magnetica relativa di 5000 µH/m.
Utilizzabile nell’intervallo di frequenza da 0 Hz a 1.000 Hz. La
composizione del materiale è per il 99,85% (minimo) ferro puro.
Altri elementi in lega, unitamente ad un particolare ciclo produttivo,
conferiscono al materiale, oltre all’alta permeabilità, le seguenti
caratteristiche: non invecchia magneticamente, è isotropo, ha uno
stretto ciclo di isteresi, sopporta alte deformazioni meccaniche
mantenendo le caratteristiche magnetiche, è particolarmente
indicato nei casi in cui la schermatura debba essere applicata a
ridosso di una sorgente di forte intensità e con campo distribuito su
più di un asse ortogonale. È infine possibile ottenere attenuazioni
elevate anche su sorgenti multiple, assemblando opportunamente il
materiale.
G-IRON H.I.F.
(High Intensity Field)
Skudotech®
Attualmente, per schermare campi magnetici a bassa
frequenza ed a breve distanza dalla sorgente, si ricorre
spesso a prodotti costituiti da sostanze
ferromagnetiche (Fe, Ni, Co) e/o loro leghe.
Il prodotto citato, costituito appunto da una lega trattata
chimicamente e termicamente, ha come caratteristica
saliente il ridotto spessore: da 0,1 a 0,5 mm. La
permeabilità iniziale è di 33.000 µH/m mentre la
massima di 327.000 µH/m. Il fattore di attenuazione
raggiunge anche il 98%, tra 35 e 40 dB.
La sua lavorazione, durante la costruzione di sistemi
schermanti, necessità di particolare attenzione per
evitare perdite di potere schermante; il sistema
consigliato è l’incollaggio su supporti rigidi o semirigidi,
purché elettricamente isolati. Non necessita di messa a
terra.
Piastre composte ad alto spessore 6,4 mm
(HT: High Thickness)
Queste piastre sono ottenute dall’accoppiamento di due
materiali: ferromagnetico e conduttivo. Con tali
prodotti è possibile realizzare schermature di elevata
efficienza, sia vicino allo schermo (dovuto all’effetto
ferromagnetico), sia lontano dallo schermo (dovuto
all’effetto conduttivo).
Lo spessore complessivo della piastra è pari a 6,4 mm
con strati aventi le seguenti caratteristiche:
• primo strato, materiale ad alta permeabilità magnetica
composto da 4 piastre sovrapposte da 0,35 mm
cadauna;
• secondo strato, materiale ad elevata conducibilità
elettrica delle spessore di 5 mm.
Il fattore di schermatura (numero variabile da 0 a 100%), ovvero il rapporto
tra intensità del campo magnetico in un punto prima e dopo l’installazione di un
sistema schermante tra la sorgente ed i punti di rilievo, è il seguente