Quando un materiale elettricamente conduttore è esposto a un campo magnetico, nel materiale vengono indotte correnti parassite. Questo fenomeno è chiamato "riscaldamento a induzione". Le correnti parassite si concentrano sulla superficie del materiale.
La generazione di calore nel materiale avviene grazie alle correnti parassite indotte. Quando il flusso magnetico circondato dalla spira del conduttore cambia, si genera un potenziale indotto nella spira. Allo stesso modo, quando un conduttore è esposto a un campo magnetico alternato, genera un potenziale indotto sotto l'azione dell'induzione elettromagnetica, con conseguente formazione di correnti indotte o correnti parassite nel conduttore.
Queste correnti indotte superano la resistenza del conduttore stesso e generano calore joule. Questo calore viene utilizzato per riscaldare il conduttore stesso, facendolo riscaldare, fondere e raggiungere vari scopi di lavorazione termica. Questo è il principio del riscaldamento a induzione a media frequenza.
I principi fisici che regolano il processo di riscaldamento a induzione sono piuttosto semplici. In un solenoide o in una bobina scorre una corrente alternata che genera un campo magnetico transitorio. Secondo le equazioni di Maxwell, questo campo magnetico induce correnti elettriche (correnti parassite) nei materiali conduttori vicini. Per effetto Joule, nel materiale conduttore si genera calore che raggiunge il punto di fusione del metallo riscaldato. Regolando i parametri della corrente, il metallo fuso può essere mantenuto liquido o la sua solidificazione può essere controllata con precisione.
Le correnti parassite generate scorrono contro la resistività del metallo, generando un preciso calore localizzato senza alcun contatto diretto tra il pezzo e l'induttore. Sia le parti magnetiche che quelle non magnetiche possono generare questo calore, che viene spesso definito "effetto Joule".
Oltre all'effetto Joule, un ulteriore calore viene generato internamente dall'isteresi. Le parti magnetiche creano un attrito interno quando passano attraverso un induttore. I materiali magnetici resistono naturalmente al rapido cambiamento del campo magnetico all'interno dell'induttore, creando un attrito interno che genera calore.
Il funzionamento di un forno a induzione prevede un crogiolo non conduttivo contenente il metallo da fondere, circondato da una bobina di filo di rame. Una potente corrente alternata scorre attraverso il filo, creando un campo magnetico rapidamente invertito che penetra nel metallo. Questo campo magnetico induce correnti parassite all'interno del metallo, che lo riscaldano per effetto Joule. Nei materiali ferromagnetici come il ferro, il materiale può essere riscaldato anche per isteresi magnetica, che comporta l'inversione dei dipoli magnetici molecolari nel metallo. Le correnti parassite provocano anche un'agitazione vigorosa della massa fusa, garantendo una buona miscelazione.
Un vantaggio del riscaldamento a induzione è che il calore viene generato all'interno della carica del forno stesso, anziché essere applicato da un combustibile acceso o da un'altra fonte di calore esterna. Questo aspetto è particolarmente importante nelle applicazioni in cui la contaminazione è un problema.
Quando il materiale della carica è fuso, l'interazione tra il campo magnetico e le correnti elettriche che scorrono nella bobina di induzione produce un'azione di agitazione all'interno del metallo fuso. Questa azione di agitazione costringe il metallo fuso a salire verso l'alto al centro, creando un menisco caratteristico sulla superficie. Il grado di agitazione dipende da fattori quali la potenza e la frequenza applicate, le dimensioni e la forma della bobina, la densità e la viscosità del metallo fuso. L'azione di agitazione è importante per miscelare le leghe, fondere le torniture e ottenere l'omogeneità della temperatura in tutto il forno. Tuttavia, un'agitazione eccessiva può portare a un aumento del prelievo di gas, all'usura del rivestimento e all'ossidazione delle leghe.
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