Nozioni di base sul riscaldamento a induzione
Riscaldamento a induzione avviene in un oggetto elettricamente conduttore (non necessariamente acciaio magnetico) quando l'oggetto è posto in un campo magnetico variabile. Il riscaldamento a induzione è dovuto all'isteresi e alle perdite per correnti parassite.
Riscaldamento a induzione è il processo di riscaldamento di un oggetto elettricamente conduttore (solitamente un metallo) per induzione elettromagnetica, attraverso il calore generato nell'oggetto dalle correnti parassite. Un riscaldatore a induzione è costituito da un elettromagnete e da un oscillatore elettronico che fa passare una corrente alternata ad alta frequenza (CA) attraverso l'elettromagnete. Il campo magnetico rapidamente alternato penetra nell'oggetto, generando correnti elettriche all'interno del conduttore, chiamate correnti parassite. Le correnti parassite che attraversano la resistenza del materiale lo riscaldano per effetto del riscaldamento Joule. Nei materiali ferromagnetici (e ferrimagnetici) come il ferro, il calore può essere generato anche dalle perdite per isteresi magnetica. La frequenza della corrente utilizzata dipende dalle dimensioni dell'oggetto, dal tipo di materiale, dall'accoppiamento (tra la bobina di lavoro e l'oggetto da riscaldare) e dalla profondità di penetrazione.
Le perdite per isteresi si verificano solo in materiali magnetici come l'acciaio, il nichel e pochissimi altri. La perdita per isteresi è causata dall'attrito tra le molecole quando il materiale viene magnetizzato prima in una direzione e poi nell'altra. Le molecole possono essere considerate come piccoli magneti che ruotano ad ogni inversione di direzione del campo magnetico. Per farle girare è necessario un lavoro (energia). L'energia si converte in calore. Il tasso di spesa dell'energia (potenza) aumenta con l'aumentare del tasso di inversione (frequenza).
Le perdite per correnti parassite si verificano in qualsiasi materiale conduttore in un campo magnetico variabile. Questo provoca la direzione, anche se i materiali non hanno le proprietà magnetiche solitamente associate al ferro e all'acciaio. Ne sono un esempio il rame, l'ottone, l'alluminio, lo zirconio, l'acciaio inossidabile non magnetico e l'uranio. Le correnti parassite sono correnti elettriche indotte dall'azione del trasformatore nel materiale. Come suggerisce il nome, sembrano scorrere in vortici all'interno di una massa solida di materiale. Le perdite per correnti parassite sono molto più importanti delle perdite per isteresi nel riscaldamento a induzione. Si noti che il riscaldamento a induzione viene applicato a materiali non magnetici, dove non si verificano perdite per isteresi.
Per il riscaldamento dell'acciaio per la tempra, la forgiatura, la fusione o per qualsiasi altro scopo che richieda una temperatura superiore alla temperatura di Curie, non possiamo fare affidamento sull'isteresi. L'acciaio perde le sue proprietà magnetiche al di sopra di questa temperatura. Quando l'acciaio viene riscaldato al di sotto del punto di Curie, il contributo dell'isteresi è di solito così piccolo da poter essere ignorato. Per tutti gli scopi pratici, il valore I2R delle correnti parassite è l'unico modo in cui l'energia elettrica può essere trasformata in calore per il riscaldamento a induzione.
Due cose fondamentali per il riscaldamento a induzione:
- Un campo magnetico che cambia
- Un materiale elettricamente conduttivo posto nel campo magnetico