Levitazione magnetica tesina

INDICE

- L’Elettromagnetismo: cenni storici e principali

caratteristiche…………….. pag. 4

- Principio di funzionamento

dell’esperimento………………………………………. pag. 5

- Sistemi di controllo: caratteristiche

principali………………………………………. pag. 7

- Sistema di controllo: la

levitazione………………………………………………………. pag. 9

- Il circuito:

Levitazione………………………………………………………………………

….. pag. 10

- Il circuito:

Illuminazione……………………………………………………………………

….. pag. 11

- Le reti Wireless: caratteristiche

principali…………………………………………….. pag. 15

- The magnetic levitation

train……………………………………………………………….. pag. 16

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TDP

Variare la polarità di un magnete permanente mediante movimentazione meccanica

comporta notevoli complessità strutturali alle quali si può ovviare con

l‘elettromagnetismo.

L’elettromagnetismo è la parte della fisica che studia le relazioni tra fenomeni elettrici

e fenomeni magnetici e, in particolare, gli effetti magnetici determinati da una

corrente elettrica, gli effetti determinati da un campo magnetico su di una corrente

elettrica e i fenomeni d’induzione elettromagnetica.

Grazie alla scoperta di Hans Christian Ørsted (1777-1851) sulla generazione di un

campo magnetico durante il passaggio di corrente elettrica in un filo, il mondo

scientifico internazionale fu messo in subbuglio. Fino alla scoperta di Ørsted (1820) il

magnetismo era un curioso fenomeno, noto anche agli antichi greci, legato alla

proprietà della magnetite (da cui il nome di magnetismo) di attrarre oggetti ferrosi.

L’unico impiego rilevante del magnetismo fu la bussola magnetica, che divenne un

fondamentale strumento di orientamento geografico per la navigazione.

Con la scoperta di Ørsted, gli scienziati cominciarono a collegare i fenomeni magnetici

con quelli elettrici. Il primo a dare un contributo significativo in questa direzione fu

André Marie Ampère (1775-1836), che nel 1823 verificò ed elaborò le leggi sulle azioni

elettrodinamiche della corrente, cioè sull’attrazione o repulsione di conduttori

attraversati da corrente.

Il vero artefice della nascita dell’elettromagnetismo fu Michael Faraday (1791-1867),

che nel 1839 mise a punto una serie di esperimenti sulle correnti elettriche indotte da

un campo magnetico variabile.

Dopo Faraday, altri grandi scienziati diedero importanti apporti a questo settore

scientifico, fino a James Clerk Maxwell (1831-1879), che con le sue famose equazioni

teoria elettromagnetica

(1864) riuscì a unificare nella le diverse manifestazioni

dell’elettricità e del magnetismo.

Per spiegare meglio che cosa s’intende con elettromagnetismo occorre spiegare cos’è

il magnetismo: esso è un particolare stato fisico dei materiali ferrosi, per il quale si

manifestano proprietà di attrazione o repulsione reciproca.

Lo spazio in cui operano le forze generate dalla presenza di un magnete è chiamato

campo magnetico.

Il flusso magnetico è l’insieme delle linee di forza che attraversano una data superficie

del campo magnetico; se una superficie è perpendicolare alle linee di forza, il flusso

magnetico è massimo mentre, quando la stessa area si trova in una posizione parallela

alle linee di forza, il flusso magnetico è minimo.

L’induzione magnetica è la proprietà di un corpo che si magnetizza quando entra in un

campo magnetico.

Magnetismo ed elettricità sono, quindi, due manifestazioni di un’unica forza

fondamentale residente negli atomi.

Questo legame profondo tra i due fenomeni fu confermato per la prima volta nel 1820

dalla celebre esperienza di Ørsted, che si può così sintetizzare: un filo percorso da

corrente elettrica genera un campo magnetico.

Se il filo è rettilineo, nel campo magnetico generato

dalla corrente, le linee di forza sono concentriche e

perpendicolari al filo. Il verso delle linee di forza è

quello con cui ruota una vite destrorsa che avanza

(regola della vite).

secondo il verso della corrente 4

Se il conduttore è un filo incurvato ad anello

(spira), le linee di forza sono più fitte all’interno

della spira, in cui pertanto il campo magnetico è

più intenso. (bobina o

Se poi il filo è avvolto in forma di elica cilindrica

solenoide), l’intensità del campo magnetico è

proporzionale all’intensità della corrente e al numero di

spire e inversamente proporzionale alla lunghezza della

bobina. Pertanto una bobina attraversata da una

corrente si comporta come un magnete con

asse coincidente con quella della bobina.

L’intensità del campo magnetico in una bobina

è rafforzata dall’inserimento di una barra di

materiale ferromagnetico. In questo modo si ottengono le elettrocalamite, che

ovviamente sono magneti temporanei, cioè tali finché passa corrente nella bobina.

Lo schema di principio della levitazione magnetica realizzata è il seguente:

Ponte

Sensore a H

effetto di

Hall

Elettromagn

ete Modulator

e

PWM

Sensore a

effetto di

Hall N

Magnete S 5

L’oggetto da far levitare è un piccolo magnete con una grande forza d'attrazione.

Ciò che ci permetterà di attrarre questo piccolo ma potente magnete è

un'elettrocalamita formata da un insieme di spire di filo di rame avvolte su di un

cilindro di ferro dolce. Se il solenoide così creato è attraversato da una corrente in un

senso esso creerà un campo magnetico Nord-Sud così da attrarre il piccolo oggetto da

far levitare. Viceversa se lo stesso solenoide è alimentato con una corrente opposta

alla precedente creerà lo stesso campo magnetico ma con polarizzazione opposta

(Sud-Nord) che respingerà il piccolo

magnete.

V Per fare in modo che il piccolo

magnete sia capace di levitare,

l’elettromagnete dovrà essere

alimentato con un segnale a onda

quadra: nel tempo in cui il

l’elettrocalamita è alimentata con

t una tensione negativa, il magnete

mobile viene respinto dal campo

creato; se viceversa la stessa

N elettrocalamita è alimentata con

S una tensione positiva, il piccolo

magnete viene attirato dal campo

creato. Gestendo il tempo in cui il

V segnale resta positivo e quello in

cui resta negativo si riesce a far

levitare il magnete mobile.

È necessario ora capire dove

realmente è l’oggetto levitante, o

t meglio, a quale distanza di trova

dall’elettromagnete.

N Per avere una risposta rapida nella

S “lettura” di questa distanza si sono

adoperati dei sensori a effetto di

Hall, dispositivi che, se

opportunamente alimentati, forniscono una tensione proporzionale al verso e alla

distanza del campo magnetico prodotto dal magnete mobile..

Questi sensori, se posti nello stesso verso e alla stessa distanza uno sopra e l’altro

sotto l’elettromagnete, forniranno una tensione di uscita di ugual valore e segno.

Nel caso in cui si avvicini un magnete al sensore posto sotto l’elettromagnete, questo

componete non fornirà più lo stesso valore di tensione come nel precedente caso, ma

varierà secondo la distanza del magnete mobile dal sensore.

Il segnale “varabile” cosi ottenuto viene sottratto a quello ricavato dal sensore

superiore: questa funzione è svolta da un comparatore che restituisce in un’uscita la

differenza dei due segnali precedenti.

Successivamente il segnale differenziale viene convertito da un modulatore PWM in un

segnale unipolare a onda rettangolare con duty-cycle proporzionale al valore della

tensione.

Questo segnale va a comandare un driver a ponte “H” il quale lo interpreta come una

successione ON-OFF: a segnale logico alto, alimenta la bobina in un senso mentre, a

un segnale logico basso, scambia l’alimentazione. 6

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SISTEMI

Un sistema di controllo è un apparato che consente di variare o di mantenere costante

la grandezza o le grandezze d’uscita in relazione ad un'evoluzione temporale

predeterminata dalle necessità sperimentali.

S u(t)

Fissato un sistema , che genera una grandezza di uscita in base alla

processo stati

i(t)

sollecitazione , si definisce la successione degli attraversati dal

sistema per ottenere un particolare risultato finale.

sistemi discreti

Nel caso di un processo può essere descritto attraverso un diagramma

sistemi continui

degli stati, mentre per occorre utilizzare un modello matematico.

Con il termine controllo di processo vengono indicate tutte le operazioni necessarie

per ottenere nel tempo una sequenza prefissata di valori dalle grandezze del processo,

indipendentemente dalla presenza di eventuali fattori esterni incontrollabili che

disturbi.

agiscono sul sistema, detti I disturbi possono essere dovuti a cause esterne,

all'invecchiamento dei componenti, a fenomeni legati al funzionamento stesso del

sistema.

Occorre precisare che, se il sistema controllato è in genere il più soggetto ad

alterazioni di funzionamento, errori più o meno gravi possono colpire anche i

dispositivi di controllo.

controllo comando)

L'azione del (o, più precisamente, del viene eseguita da un

sistema di controllo.

dispositivo detto, appunto,

sistemi di controllo

I si possono dividere in due gruppi:

Regolatori

 Sono usati quando si desidera che una determinata grandezza che interviene in un

set-point”

processo assuma un valore costante: esso è chiamato “ della variabile

(ad esempio il controllo della temperatura di un forno, del livello di un serbatoio,

della pressione di una camera iperbarica.)

Servomeccanismi

 Permettono di guidare la grandezza di uscita secondo una sequenza prefissata (ad

esempio i controlli di posizione nel movimento di un braccio meccanico o nella

traiettoria di un missile).

Poiché, generalmente, il segnale in uscita del sistema di controllo non è adatto a

sollecitare direttamente il sistema controllato, è necessario introdurre un ulteriore

attuatore

blocco, detto che abbia la funzione di amplificare l'uscita del controllore,

adattandolo nello stesso tempo all'ingresso del sistema controllato.

Controllo a catena aperta

catena aperta “anello aperto” OL (open loop))

In un sistema a (o o il controllore agisce

(t)

r

sul sistema, secondo il valore di riferimento , basandosi unicamente sulla

i(t) u(t)

relazione conosciuta fra ingresso e uscita .

Se l'output del sistema non è quello desiderato, il sistema di controllo non può in alcun

modo accorgersi dell'errore, né tanto meno modificare l'input del sistema. In tal modo

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la garanzia del risultato è affidata alla precisione del modello matematico e all'assenza

di disturbi.

Questi sistemi vengono utilizzati quando il funzionamento del sistema è abbastanza

prevedibile e/o non è richiesta una particolare precisione dei valori di uscita.

Controllo a catena chiusa

In questo caso l'uscita del sistema da controllare viene continuamente valutata in

modo da modificare opportunamente l'ingresso del sistema stesso. feed-back, ramo

u(t)

Il ramo di ritorno, da al comparatore, viene anche chiamato o

di retroazione, anello di regolazione.

mentre l'insieme delle due linee costituisce l'

Riferimento: è il segnale , eventualmente costante, corrispondente

(t)

 r (set-point).

all'uscita che si desidera ottenere dal sistema

Comparatore: è il blocco che confronta il segnale di riferimento con l'uscita del

 (t)=r (t)−x (t) (t)

e e

sistema, valutando l'errore assoluto . L'errore misura

quanto l'uscita del sistema si discosta dal valore desiderato: errore negativo se

set-point;

l'uscita supera il viceversa positivo.

Controllore: (t)

è il dispositivo che, in base all'errore e con metodi diversi

 e (t)

y

secondo il tipo di controllo implementato, elabora un valore corrispondente

all'ingresso del sistema da controllare.

Attuatore: (t)

è il blocco che trasforma e amplifica il segnale , in modo da

y

 (t )

i

generare un'opportuna sollecitazione al sistema.

Sistema: può essere un forno, un serbatoio o un qualsiasi processo industriale di

 cui si voglia controllare una o più variabili. Il valore della grandezza controllata

)

u(t deve essere misurato e trasformato, poiché in genere non è compatibile

direttamente con l'ingresso del comparatore.

Trasduttore: (t)