Corso di Formazione per la Valutazione dei Campi Elettromagnetici

TECNICHE DI VALUTAZIONEE DI MISURAZIONE

DELLE RADIAZIONI NON IONIZZANTI

Armando LuchesDipartimento di FisicaUniversità 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 HESPRESSA 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 (SQUID-

Superconducting 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)/dtLa variazione di flusso può essere realizzataa)

Invertendo periodicamente il campo magnetico B

b)

Allontanando il flussometro fin dove B=0c)

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 precessionedi protoni (protonprecession magnetometer).

I protoni hanno unmomento magnetico (spin)

MAGNETOMETRI A NMR

Un induttore genera un fortecampo magnetico attorno a unfluido ricco di idrogeno.Questo provoca l’allineamento dello spin dei protoni con ilcampo 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 stratoL’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 (YBa2 Cu3 O7-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 SQUIDSe 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 fTCampo 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.

TARATURAE’ 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 MISURAOgni 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 211-6 del 2001

CEI: Comitato Elettrotecnico Italiano