In letteratura, ed in particolare dai lavori di Arani et al. [10], [15], Arefi et al.[24], Zhang et al.
[26], Jandaghian et al. [21] e Kamali et al. [27], la presenza di strati costituiti da materiali piezoelettrici, piezomagnetici, nanotubi in carbonio disposti secondo la tecnica dei Functionally Graded, si evince come l’effetto elettromagnetico debba essere tenuto in conto per descrivere correttamente il comportamento di queste particolari nano-piastre. Oltre agli effetti elettromagnetici, anche la presenza del mezzo in cui si trovano le nano-piastre deve essere presa in considerazione.
Per avere una trattazione il più generale possibile, in questo capitolo verranno trattati gli effetti dovuti alla presenza di strati di piezoelettrico, strati di piezomagnetici. Inoltre, poiché i nanotubi in carbonio presentano proprietà magnetiche quando sottoposti ad un campo magnetico, verranno esposte le equazioni per determinare le interazioni dovuti a questo effetto. Infine, verrà trattata la presenza del mezzo viscoelastico modellizzato con la fondazione di Pasternak.
4.1. Materiale piezoelettrico
Prendendo come riferimento la trattazione di Jandaghian et al. [21] e Kamali et al. [27], la presenza di strati di materiale piezoelettrico richiede il soddisfacimento delle equazioni di Maxwell. Per ottenere ciò, il campo elettrico deve soddisfare la seguente relazione vettoriale:
E= − (4.1)
Dove indichiamo con ∇ l’operatore gradiente:
( )
i j kx y z
• • •
• = (4.2)
Con 𝜑(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) si indica il potenziale elettrico.
Sviluppando l’equazione (4.1) otteniamo:
x y
z
E x E y E
z
−
= −
−
(4.3)
Come anche individuato da Arani et al. [22], il potenziale elettrico, dovendo soddisfare le equazioni di Maxwell, viene definito con una combinazione di una funzione trigonometrica ed una variazione lineare. Per un generico strato k costituito da un materiale piezoelettrico possiamo scrivere:
( ) ( )
( ) ( ) 0
( ) ( )
, ( 2
( , , ) cos , , )
k k
k E
k k
p p
z V x y z
h x y
z t t h
= − + (4.4)
16
Nell’equazione (4.4) compaiono: la distribuzione spaziale del potenziale elettrico 𝜙(𝐸)(𝑥, 𝑦, 𝑡) del piezoelettrico, il potenziale elettrico esterno 𝑉0 applicato se si vuole far funzionare il materiale come attuatore. Lo spessore ℎ𝑝(𝑘) è lo spessore dello strato k-esimo di materiale piezoelettrico. L’espressione del potenziale elettrico 𝜑 viene fornita in funzione della coordinata 𝑧̅(𝑘). Il sistema di riferimento per cui viene definita questa nuova coordinata è riferito al piano medio dello strato di piezoelettrico come viene mostrato nella figura 4.1.
Indicando con 𝑧−(𝑘) è la quota dell’interfaccia inferiore dello strato k-esimo, 𝑧+(𝑘) la quota dell’interfaccia superiore dello strato k-esimo, possiamo ottenere l’espressione della coordinata 𝑧̅:
( ) ( ) ( )
( )
2
k k
k
k z z
z z z− + − −
= − − (4.5)
Tipicamente, gli strati di piezoelettrico vengono posizionati in corrispondenza degli strati più esterni in quanto più accessibili, per l’inserimento dei cablaggi.
L’equazione (4.5) si può quindi specializzare per lo strato esterno inferiore 𝑧̅(inf) e per quello superiore 𝑧̅(𝑠𝑢𝑝):
( )
2 2
inf e p
z h
z h
+
= + (4.6)
( )
2 2
sup e p
z h
z h
−
= − (4.7)
Nella figura 4.2 vengono rappresentati le due coordinate per gli strati suddetti.
Figura 4.1: Rappresentazione della coordinata per lo strato di piezoelettrico
17
L’equazione (4.4) è valida nel caso generale di piezoelettrico funzionante da attuatore in quanto compare la differenza di potenziale 𝑉0 applicato. Nel caso in cui si utilizzasse il piezoelettrico come sensore, non vi è alcuna differenza di potenziale da applicare e quindi il secondo termine della somma viene eliminato.
( ) ( ) ( )
( , , , ) cos ( )k ( , , )
k E
k p
x y z t z
h x y t
= − (4.8)
4.2. Materiale piezomagnetico
In presenza di strati di materiale piezomagnetico, usando sempre come riferimento Jandaghian [21], occorre soddisfare anche per questo caso l’equazione di Maxwell. Per ottenere ciò, il campo magnetico deve soddisfare la seguente relazione vettoriale:
( )m
H = − (4.9)
Con 𝜓(𝑚)(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) il potenziale magnetico. Sviluppando l’equazione (4.9) otteniamo:
Figura 4.2: Posizione dei piezoelettrici e relativi sistemi di coordinate
18
( )
( )
( )
m
x m
y
z m
y
H x
H H
z
−
= −
−
(4.10)
In maniera analoga con quanto visto per il campo elettrico, possiamo scrivere il potenziale magnetico come espressione di una parte trigonometrica e di una parte lineare. Per un generico strato k di materiale piezomagnetico
( )( )
(
, , ,)
cos ( )( ) ( )( , , ) 2 ( )( ) 0m m
k
m k k H
k k
x y z t x y z A
t h z
h
−
= + (4.11)
La coordinata 𝑧̅(𝑘) è la stessa vista precedente, mentre ℎ𝑚(𝑘) rappresenta, invece, lo spessore dello strato k-esimo di materiale piezomagnetico, come ℎ𝑒(𝑘) lo era per quello piezomagnetico.
Se uno strato di tale materiale viene usato come sensore anziché da attuatore, la differenza di potenziale magnetico 𝐴0è nulla e possiamo riscrivere l’equazione (4.11):
( )( )
(
, , ,)
cos ( )( ) ( )( , , )m
m k k H
k
z
x y z t h x y t
=
−
(4.12)
Pertanto, risultano valide anche le espressioni (4.5), (4.6) e (4.7) con la sostituzione di notazione per il caso di materiale piezomagnetico.
4.3. Campo magnetico
Come già introdotto precedentemente, la presenza dei nanotubi in carbonio non solo permette di ottenere un materiale migliore dal punto di vista meccanico, ma introduce anche delle proprietà magnetiche. Queste diventano un effetto importante quando la nano-piastra viene sottoposta all’azione di un campo magnetico.
Kolahchi et al. [23] e Arani et al. [22] nei loro articoli, considerano un campo magnetico bidimensionale. Supponiamo di applicarlo in direzione 𝛼, con 𝛼 = 𝑥, 𝑦, il campo magnetico può essere scritto nel seguente modo:
0 x x y y
H =H i +H j (4.13)
Con 𝛿𝑥𝛼 e 𝛿𝑦𝛼 il delta di Kronecker. A seconda della scelta di 𝛼 come allineamento lungo 𝑥 o lungo 𝑦, il campo magnetico può avere di conseguenza solo una componente lungo 𝑥 o lungo 𝑦 rispettivamente.
La forza di Lorentz agente sulla piastra viene calcolata nel seguente modo, tramite il prodotto vettoriale tra il campo magnetico 𝐻⃗⃗ 0 e il vettore densità di corrente 𝐽 :
(
0)
m J H
f = (4.14)
Nell’equazione (4.14) 𝜂 è la costante di permeabilità magnetica.
19
Il vettore densità di corrente viene calcolato dalla seguente espressione:
h
J = (4.15)
L’equazione (4.15) definisce il vettore densità di corrente come il rotore del vettore ℎ⃗ .
Questo vettore è anche chiamato vettore di perturbazione del campo magnetico e si calcola come il rotore del prodotto vettoriale tra il campo di spostamenti 𝑢⃗ = (𝑢, 𝑣, 𝑤) e il campo magnetico 𝐻⃗⃗ 0.
(
0)
h= u H (4.16)
Dal punto di vista fisico questo vettore può essere inteso come l’effetto che il campo magnetico applicato ha sul campo magnetico intrinseco dei nanotubi in carbonio.
Mettendo insieme le equazioni precedenti arriviamo alla scrittura delle forze di Lorentz per unità di volume:
( )
( )
(
0)
0m u H H
f = (4.17)
4.4. Fondazione viscoelastica di Pasternak
La fondazione viscoelastica di Pasternak viene comunemente inserita anche da altri autori in letteratura, come Arani et al. [28], per simulare i carichi normali che vengono trasferiti alla nano-piastra.
La fondazione viscoelastica di Pasternak è costituita da una serie di molle di rigidezza 𝐾1𝑤 lineari, da molle di rigidezza 𝐾2𝑤 per la parte non lineare, smorzatori viscosi di caratteristica 𝐶𝑑 e da uno strato legato all’effetto del taglio di rigidezza 𝐾𝑔.
Nella figura 4.3 osserviamo la struttura di schematizzata della fondazione viscoelastica di Pasternak.
Figura 4.3: Rappresentazione schematica della fondazione viscoelastica di Pasternak
20
In generale la fondazione può avere caratteristiche ortotrope nell’espressione della rigidezza a taglio.
Per un sistema solidale alla fondazione visco-elastica, rappresentato in figura 4.4, le cui direzioni principali sono identificate dai parametri (𝜉, 𝜂), l’angolo Θ rappresenta l’angolo tra la direzione di 𝜉 e la direzione 𝑥 della nano-piastra.
La forza di pressione prodotta dalla fondazione è la seguente, prendendo come esempio Arani et al [22]:
( )
( )
3 2 2
1 2 , , ,
2 2
, , ,
cos 2cos sin
sin 2cos cos
sin sin
PK w w d g xx xy yy
g xx xy yy
q K w K w C w K
K
w w w
w w w
= + + − + + +
+
− − (4.18)
I valori delle rigidezze a taglio nel caso ortotropo sono 𝐾𝑔𝜉 e 𝐾𝑔𝜂 nelle direzioni 𝜉 ed 𝜂 rispettivamente del sistema di riferimento della fondazione.
I parametri della fondazione dipendono dalle caratteristiche meccaniche dello strato sottostante.
Kerr nel suo articolo [29] illustra una procedura semplificata per determinarli, dalla quale si osserva la diretta dipendenza tra i parametri e moduli elastici.
Figura 4.4: Sistema di riferimento della fondazione di Pasternak
21