Corso di Formazione per la Valutazione
dei Campi Elettromagnetici
TECNICHE DI VALUTAZIONE
E DI MISURAZIONE
DELLE RADIAZIONI NON IONIZZANTI
Armando Luches
Dipartimento di Fisica
Università del Salento
18 Maggio 2007
CAMPI MAGNETICI STATICI
PER DESCRIVERE IL CAMPO MAGNETICO SI PUÒ
RICORRERE A DUE DIVERSE GRANDEZZE FISICHE:
L’INTENSITÀ DI CAMPO MAGNETICO H
ESPRESSA IN AMPERE PER METRO (A/m)
L’INDUZIONE MAGNETICA B, ESPRESSA IN TESLA (T).
LE DUE QUANTITÀ SONO LEGATE TRA LORO NEL VUOTO E
NELL’ARIA DALLA RELAZIONE
B = μ0 H
μ0 = 12,56 10-7 H/m È LA PERMEABILITÀ MAGNETICA DEL
VUOTO.
CAMPI MAGNETICI STATICI
Valori tipici dei campi magnetici statici da
misurare:
∼ 10-7 T ÷ ∼ 1 T
• Campo magnetico terrestre: ∼ 20-70 μT
• Campo magnetico vicino a linee elettriche:
∼ 10 μT
STRUMENTI DI MISURA DEI CAMPI
MAGNETICI STATICI
I magnetometri possono essere divisi in due
categorie:
• magnetometri scalari, che misurano
l’intensità totale del campo magnetico cui
sono soggetti
• magnetometri vettoriali, in grado di
misurare le componenti del campo
magnetico in una particolare direzione
MISURA DEI CAMPI MAGNETICI STATICI
STRUMENTI MAGGIORMENTE USATI:
•
•
•
•
Magnetometri
a nucleo saturabile
a effetto Hall
a risonanza magnetica nucleare
a superconduttori (SQUIDSuperconducting Quantum Interference
Devices) )
Magnetometri
I magnetometri più semplici sono i flussometri.
Si tratta di avvolgimenti di filo conduttore molto sottile
realizzati su un supporto rigido.
Magnetometri
Secondo la legge di Faraday.Neumann-Lentz,
ai capi del filo conduttore viene indotta una
forza elettromotrice pari a
-dΦ(B)/dt
La variazione di flusso può essere realizzata
a) Invertendo periodicamente il campo magnetico B
b) Allontanando il flussometro fin dove B=0
c) Ruotando il flussometro attorno al suo asse
Magnetometri a nucleo saturabile
Il magnetometro a nucleo saturabile (fluxgate
magnetometer) consiste di un piccolo nucleo di materiale
magneticamente suscettible, circondato da due bobine
Magnetometri a nucleo saturabile
Una corrente alternata scorre in una spira,
imponendo al nucleo un ciclo alternato di
saturazione magnetica (cioè magnetizzazione smagnetizzazione – magnetizzazione inversa smagnetizzazione - magnetizzazione).
Questo campo ciclico induce una corrente elettrica
nella seconda bobina, e questa corrente di uscita è
misurata da un amperometro.
In assenza di campo magnetico esterno, le correnti
d’ingresso e d’uscita saranno uguali.
Magnetometri a nucleo saturabile
Quando il nucleo è esposto ad un campo esterno,
esso sarà più facilmente magnetizzato nello stesso
verso del campo esterno e meno facilmente
magnetizzato nel verso opposto.
Questo produce uno sfasamento della corrente
indotta rispetto alla corrente d’ingresso.
Lo sfasamento dipenderà dall’intensità del campo
magnetico esterno.
Magnetometri a nucleo saturabile
I magnetometri a nucleo saturabile sono usati
comunemente nelle prospezioni archeologiche.
Le versioni più sofisticate sono in grado di rivelare
variazioni di campo magnetico dell’ordine di 0.1 nT (circa
un milionesimo del campo magnetico terrestre).
Magnetometri a effetto Hall
Sono magnetometri il cui funzionamento è basato
sull’effetto Hall.
Magnetometri a effetto Hall
Magnetometri a effetto Hall
L'elemento sensibile è formato da una striscia di materiale
(metallo o semiconduttore), di spessore trascurabile.
In questo materiale viene fatta scorrere una corrente per
mezzo di una batteria.
Quando la lamina è posta perpendicolarmente ad un
campo magnetico B, si instaura un campo elettrico E
perpendicolare a B ed alla direzione del flusso di corrente.
Il campo è generato da un accumulo di carica su una delle
due superfici a causa della forza di Lorentz
Magnetometri a effetto Hall
Magnetometri a effetto Hall
La differenza di potenziale Δϕ è detta
tensione di Hall (di solito è indicata con VH).
Essa è proporzionale al campo magnetico B.
Lo strumento può essere tarato in modo che
misurando il valore di VH il display dia
direttamente il valore di B.
Magnetometri a effetto Hall
La linearità è discreta per bassi valori del campo
(≈ 0.2 % per B < 0.5 T) e la sensibilità è dell’ordine
di 0.1 V/T.
Esistono in commercio anche sensori lineari
completi di stabilizzatore della corrente di
polarizzazione e di amplificatore della tensione di
Hall già integrati nel chip con sensibilità
dell’ordine di 10 V/T.
I magnetometri ad effetto Hall sono i più usati per
le misure di routine.
MAGNETOMETRI A NMR
Il più semplice è il
magnetometro a
precessione
di protoni (proton
precession magnetometer).
I protoni hanno un
momento magnetico (spin)
MAGNETOMETRI A NMR
Un induttore genera un forte
campo magnetico attorno a un
fluido ricco di idrogeno.
Questo provoca l’allineamento
dello spin dei protoni con il
campo magnetico.
Poi il campo viene annullato e, mentre i protoni si
riallineano con il campo magnetico terrestre, hanno
un moto di precessione con una specifica frequenza
di Larmor.
MAGNETOMETRI A NMR
Il moto di precessione provoca un debole
campo magnetico che è rivelato dallo stesso
induttore.
La relazione fra la frequenza della corrente
indotta e l’intensità del campo magnetico è
chiamata rapporto giromagnetico del
protone, ed è pari a 0.042576 Hz/nT.
Magnetometro a precessione di protoni
MAGNETOMETRI SQUID
I magnetometri SQUID si usano per
misurare campi magnetici estremamente
deboli.
Sono magnetometri vettoriali molto
sensibili, che richiedono raffreddamento a
elio liquido (4.2 K) o azoto liquido (77 K).
Consentono di misurare i campi magnetici
prodotti dal cervello o dal cuore.
MAGNETOMETRI SQUID
Lo SQUID fu inventato nel 1964 da Robert Jaklevic, John
Lambe, Arnold Silver, and James Mercereau dopo la
scoperta dell’effetto Josephson (1962).
MAGNETOMETRI SQUID
L’elettrodo base degli SQUID è formato da uno strato
sottile di niobio, realizzato per deposizione, e la barriera
tunnel è formata dall’ossidazione di questo strato
L’elettrodo superiore è formato da uno strato di lega di
piombo, depositato sopra gli altri due a formare un
sandwich.
Per raggiungere la superconduttività, il tutto è immerso in
elio liquido.
Di recente sono stati sviluppati SQUID ad “alta
temperatura”, formati da un substrato di YBCO
(YBa2Cu3O7-x), raffreddato ad azoto liquido. Sono meno
sensibili dei precedenti.
MAGNETOMETRI SQUID
Schema
MAGNETOMETRI SQUID
Elemento sensibile e magnetometri
MAGNETOMETRI SQUID
Il principio di funzionamento è basato alla
quantizzazione del flusso.
Gli stati possibili di flusso in un superconduttore
sono multipli del quanto di flusso
Φo = 2.067833636×10−15 T m2 (weber)
1 weber è la quantità di flusso che, variando in un secondo, produce nel
circuito concatenato una f.e.m. pari ad 1 volt
Il quanto di flusso magnetico è una costante,
indipendentemente dal materiale, purchè sia
superconduttore.
MAGNETOMETRI SQUID
Se un oggetto è formato interamente di materiale
superconduttore, il flusso magnetico che lo attraversa è
nullo, perchè le supercorrenti espellono i campi magnetici
dall’interno del superconduttore (effetto Meissner).
MAGNETOMETRI SQUID
Se modelliamo il superconduttore a forma
di anello, non ci sono supercorrenti al
centro dell’anello, pertanto il campo
magnetico può attraversarlo.
Tuttavia, le supercorrenti ai bordi si
aggiustano in modo che il flusso magnetico
totale attraverso l’anello sia quantizzato
(multiplo di Φ0).
MAGNETOMETRI SQUID
Se si mantiene una corrente
costante di bias nello
strumento, la tensione
misurata oscilla con le
variazioni di fase alle giunzioni
Josephson.
Le variazioni dipendono dalle
variazioni del flusso magnetico.
Contando le oscillazioni si può
valutare la variazione di flusso
e misurare campi di ∼ 10-15 T.
MAGNETOMETRI SQUID
ic: corrente critica alla quale compare una
tensione
MAGNETOMETRI SQUID
Il magnetometro SQUID è lo strumento di misura
più sensibile che esista.
Esso può misurare flussi magnetici pari a un
quanto (Φo).
Un quanto di flusso magnetico può essere
visualizzato come il flusso del campo magnetico
terrestre (0.5 Gauss = 0.5 x 10-4 T) attraverso un
globulo rosso del sangue (diametro ∼ 7 μm).
L’energia associata con la più piccola variazione
in un secondo è ∼ 10-32 J, equivalente al lavoro
richiesto per sollevare di 1 mm un elettrone (m ∼
10-30 kg) nel campo gravitazionale terrestre.
MAGNETOMETRI SQUID
I magnetometri SQUID possono misurare
variazioni del campo magnetico nel corpo
umano.
Sensibilità dello SQUID: 1 fT (femtotesla:
10-15 T)
Campo magnetico del cuore: 50 000 fT
Campo magnetico del cervello: qualche fT.
Con gli SQUID a YBCO, la sensibilità è
∼30 fT.
MAGNETOMETRI SQUID
SQUID
TARATURA
Qualunque sia il dispositivo usato per
misurare un campo magnetico, esso
necessita di un’apposita taratura.
La risposta di ogni tipologia di sensore
dipende da parametri difficilmente
calcolabili dall’utente.
I costruttori devono fornire i risultati delle
prove di taratura (prove di accettazione).
TARATURA
Il sensore va tarato periodicamente per
confronto con uno standard di riferimento.
Esistono centri di taratura dove portare i
magnetometri per controlli periodici con campioni
nazionali o internazionali.
Tra una taratura e la successiva va comunque
valutata la funzionalità dello strumento.
TARATURA
In commercio esistono standard di
riferimento per eseguire in laboratorio
tarature a livelli relativamente elevati
(0.005 ÷ 2 T).
Sistemi di bobine possono essere usati per
creare campi magnetici statici con valori
inferiori, se si usano correnti continue.
TARATURA
E’ necessario tener conto del campo magnetico terrestre
(∼ 50 μT) quando la sua intensità è significativa rispetto ai
valori da misurare.
Esistono magneti standard schermati per evitare
perturbazioni da campi esterni.
Il campo magnetico terrestre può anche essere soppresso
usando bobine ausiliarie.
Se si orienta l’asse del sistema di bobine di taratura in
direzione Est – Ovest si diminuisce l’influenza del campo
magnetico terrestre.
Per la loro accuratezza, i misuratori a NMR o SQUID
possono essere usati come strumenti di riferimento.
MODALITA’ DI MISURA
Ogni strumento ha specifiche bande di temperatura entro
le quali dovrebbe funzionare con l’incertezza specificata
dal costruttore (es.: 0 oC – 45 oC e 5%).
Si devono evitare forti sbalzi di temperatura che possono
provocare formazioni di condensa.
Se si usano strumenti a batterie, bisogna verificarne spesso
la carica.
Bisigna far attenzione: se l’involucro delle pile è fatto di
materiale ferromagnnetico, esso può influenzare la misura!
Se si usano batterie ricaricabili, non si deve usare il
magnetometro durante la ricarica.
SORGENTI DI INCERTEZZA NELLE MISURE
Se un magnetometro è tarato correttamente, il numero di meccanismi
che può causare errori di misura è ridotto.
Sonda e rivelatore devono avere una schermatura elettrica adeguata
contro i campi elettrici a frequenza industriale ed a radiofrequenza.
Se il campo magnetico non è uniforme, bisogna tener conto che quello
che si misura NON è il campo al centro della sonda, ma la media sulla
superficie della sonda.
Il rumore elettrico nel circuito del rivelatore può introdurre errori
notevoli nella valutazione di campi deboli.
Variazioni di temperatura e di umidità possono essere fonte di errori.
Norme tecniche di riferimento
Guida per la misura e la valutazione dei campi elettrici e
magnetici nell’intervallo di frequenza 0 Hz – 10 kHz, con
riferimento all’esposizione umana.
Norma italiana
CEI:
CEI 211-6 del 2001
Comitato Elettrotecnico Italiano
