Come funziona linduzione magnetica

Produzione di tensione da un campo magnetico variabile

Da non confondere con l'induttanza magnetica.

L'induzione elettromagnetica o magnetica è la produzione di una forza elettromotrice (EMF) attraverso un conduttore elettrico in un campo magnetico variabile.

A Michael Faraday viene generalmente attribuita la scoperta dell'induzione nel 1831, e James Clerk Maxwell la descrisse matematicamente come la legge di Faraday dell'induzione. La legge di Lenz descrive la direzione del campo indotto. La legge di Faraday fu successivamente generalizzata per diventare l'equazione di Maxwell-Faraday, una delle quattro equazioni di Maxwell nella sua teoria dell'elettromagnetismo.

L'induzione elettromagnetica ha trovato molte applicazioni, tra cui componenti elettrici come induttori e trasformatori, e dispositivi come motori elettrici e generatori.

Storia

L'induzione elettromagnetica fu scoperta da Michael Faraday, pubblicata nel 1831. ^{[3] [4]} Fu scoperta indipendentemente da Joseph Henry nel 1832. ^{[5] [6]}

Nella prima dimostrazione sperimentale di Faraday (29 agosto 1831), avvolse due fili attorno ai lati opposti di un anello di ferro o "toroide" (una disposizione simile a un moderno trasformatore toroidale). ^Sulla base della sua comprensione degli elettromagneti, si aspettava che, quando la corrente iniziava a fluire in un filo, una sorta di onda avrebbe viaggiato attraverso l'anello e avrebbe causato un effetto elettrico sul lato opposto. Collegò un filo a un galvanometro e lo guardò mentre collegava l'altro filo a una batteria. Vide una corrente transitoria, che chiamò "onda di elettricità", quando collegò il filo al batteria e un'altra quando l'ha scollegata. ^[7] Questa induzione era dovuta al cambiamento del flusso magnetico che si verificava quando la batteria veniva collegata e scollegata. ^[2] Nel giro di due mesi, Faraday trovò diverse altre manifestazioni di induzione elettromagnetica. Ad esempio, vide le correnti transitorie quando fece scorrere rapidamente una barra magnetica dentro e fuori da una bobina di fili, e generò una corrente costante (CC) ruotando un disco di rame vicino alla barra magnetica con un cavo elettrico scorrevole ("disco di Faraday"). ^[8]

Faraday spiegò l'induzione elettromagnetica usando un concetto che chiamò linee di forza. Tuttavia, gli scienziati dell'epoca rifiutarono ampiamente le sue idee teoriche, principalmente perché non erano formulate matematicamente. ^[9] Un'eccezione fu James Clerk Maxwell, che usò le idee di Faraday come base della sua teoria elettromagnetica quantitativa. ^{[9] [10] [11]} Nel modello di Maxwell, l'aspetto variabile nel tempo dell'induzione elettromagnetica è espresso come un'equazione differenziale, che Oliver Heaviside ha definito legge di Faraday anche se è leggermente diversa dalla formulazione originale di Faraday e non descrive la f.e.m. La versione di Heaviside (vedi equazione di Maxwell-Faraday sotto) è la forma riconosciuta oggi nel gruppo di equazioni note come equazioni di Maxwell.

Nel 1834 Heinrich Lenz formulò la legge che porta il suo nome per descrivere il "flusso attraverso il circuito". La legge di Lenz fornisce la direzione della f.e.m. indotta e della corrente risultante dall'induzione elettromagnetica.

Articolo

principale: Legge di

induzione di Faraday

La

legge di induzione di Faraday fa uso del flusso magnetico Φ _B attraverso una regione di spazio racchiusa da un anello di filo. Il flusso magnetico è definito da un integrale di superficie: ^[12] dove d A è un elemento della superficie Σ racchiuso dall'anello di filo, B è il campo magnetico. Il prodotto scalare B · d A corrisponde a una quantità infinitesimale di flusso magnetico. In termini più visivi, il flusso magnetico attraverso l'anello del filo è proporzionale al numero di linee del campo magnetico che passano attraverso l'anello.

Quando il flusso attraverso la superficie cambia, la legge di induzione di Faraday dice che l'anello del filo acquisisce una forza elettromotrice (emf). ^La versione più diffusa di questa legge afferma che la forza elettromotrice indotta in qualsiasi circuito chiuso è uguale alla velocità di variazione del flusso magnetico racchiuso nel circuito: ^{[16] [17]} dove è la f.e.m. e Φ _B è la flusso magnetico. La direzione della forza elettromotrice è data dalla legge di Lenz che afferma che una corrente indotta fluirà nella direzione che si opporrà al cambiamento che l'ha prodotta. ^[18] Ciò è dovuto al segno negativo nell'equazione precedente. Per aumentare l'emf generata, un approccio comune consiste nello sfruttare il legame di flusso creando una bobina di filo strettamente avvolta, composta da N spire identiche, ciascuna con lo stesso flusso magnetico che le attraversa. L'emf risultante è quindi N volte quella di un singolo filo. ^{[19] [20]}

La generazione di un campo elettromagnetico attraverso una variazione del flusso magnetico attraverso la superficie di un anello di filo può essere ottenuta in diversi modi:

1. il campo magnetico B cambia (ad esempio un campo magnetico alternato, o lo spostamento di un anello di filo verso una barra magnetica dove il campo B è più forte),
2. l'anello di filo viene deformato e il la superficie Σ cambia,
3. l'orientamento della superficie d A cambia (ad esempio la rotazione di un anello di filo in un campo magnetico fisso),
4. qualsiasi combinazione dell'equazione di

Maxwell-Faraday

di cui sopra

Vedi anche: legge di induzione di Faraday § Equazione di Maxwell-Faraday

In generale, la relazione tra l'area elettromagnetica in un anello di filo che circonda una superficie Σ e il campo elettrico E nel filo è data da dove d l è un elemento di contorno della superficie Σ, combinando questo con la definizione di flusso possiamo scrivere la forma integrale dell'equazione di Maxwell-Faraday

È una delle quattro equazioni di Maxwell, e quindi svolge un ruolo fondamentale nella teoria dell'elettromagnetismo classico.

Legge di Faraday e relatività

La legge di Faraday descrive due diversi fenomeni: l'EMF mozionale generata da una forza magnetica su un filo mobile (vedi forza di Lorentz) e la forza elettromagnetica del trasformatore generata da una forza elettrica dovuta a un campo magnetico variabile (a causa della forma differenziale dell'equazione di Maxwell-Faraday). James Clerk Maxwell richiamò l'attenzione sui fenomeni fisici separati nel 1861. ^{[21] [22]} Si ritiene che questo sia un esempio unico in fisica di dove una tale legge fondamentale viene invocata per spiegare due fenomeni così diversi. ^[23]

Albert Einstein notò che le due situazioni corrispondevano entrambe a un movimento relativo tra un conduttore e un magnete, e il risultato non era influenzato da quale dei due si muoveva. Questo è stato uno dei percorsi principali che lo hanno portato a sviluppare la relatività ristretta. ^[24]

Applicazioni

I principi dell'induzione elettromagnetica sono applicati in molti dispositivi e sistemi, tra cui:

Generatore

Lo

stesso argomento in dettaglio: Generatore elettrico

L'emf generato dalla legge di induzione di Faraday a causa del movimento relativo di un circuito e di un campo magnetico è il fenomeno alla base dei generatori elettrici. Quando un magnete permanente viene spostato rispetto a un conduttore, o viceversa, si crea una forza elettromotrice. Se il filo è collegato attraverso un carico elettrico, la corrente scorrerà e quindi viene generata energia elettrica, convertendo l'energia meccanica del movimento in energia elettrica. Ad esempio, il generatore di tamburi si basa sulla figura in basso a destra. Una diversa implementazione di questa idea è il disco di Faraday, mostrato in forma semplificata a destra.

Nell'esempio del disco di Faraday, il disco viene ruotato in un campo magnetico uniforme perpendicolare al disco, provocando il flusso di corrente nel braccio radiale a causa della forza di Lorentz. Per azionare questo è necessario un lavoro meccanico corrente. Quando la corrente generata scorre attraverso il bordo conduttore, viene generato un campo magnetico da questa corrente attraverso la legge circuitale di Ampère (etichettata come "B indotta" nella figura). Il cerchio diventa così un elettromagnete che resiste alla rotazione del disco (un esempio della legge di Lenz). Sul lato opposto della figura, la corrente di ritorno scorre dal braccio rotante attraverso il lato opposto del cerchio fino alla spazzola inferiore. Il campo B indotto da questa corrente di ritorno si oppone al campo B applicato, tendendo a diminuire il flusso attraverso quel lato del circuito, opponendosi all'aumento del flusso dovuto alla rotazione. Sul lato vicino della figura, la corrente di ritorno scorre dal braccio rotante attraverso il lato vicino del cerchio fino alla spazzola inferiore. Il campo B indotto aumenta il flusso su questo lato del circuito, opponendosi alla diminuzione del flusso dovuta alla rotazione. L'energia necessaria per mantenere il disco in movimento, nonostante ciò reattiva, è esattamente uguale all'energia elettrica generata (più l'energia sprecata a causa dell'attrito, del riscaldamento Joule e di altre inefficienze). Questo comportamento è comune a tutti i generatori che convertono l'energia meccanica in energia elettrica.

Articolo

principale: Trasformatore

Quando la corrente elettrica in un anello di filo cambia, la corrente variabile crea un campo magnetico variabile. Un secondo filo alla portata di questo campo magnetico sperimenterà questo cambiamento nel campo magnetico come un cambiamento nel suo flusso magnetico accoppiato, . Pertanto, una forza elettromotrice viene impostata nel secondo ciclo chiamato f.e.m. indotta o f.e.m. del trasformatore. Se le due estremità di questo circuito sono collegate tramite un carico elettrico, la corrente scorrerà.

Articolo principale: Pinza amperometrica

Una pinza amperometrica è un tipo di trasformatore con un nucleo diviso che può essere diffuso e agganciato a un filo o a una bobina per misurare la corrente al suo interno o, al contrario, per indurre una tensione. A differenza degli strumenti convenzionali, la pinza non stabilisce un contatto elettrico con il conduttore né richiede di scollegarla durante il fissaggio della pinza.

Misuratore di portata magnetico

La

legge di Faraday viene utilizzata per misurare il flusso di liquidi elettricamente conduttivi e fanghi. Tali strumenti sono chiamati misuratori di portata magnetici. La tensione indotta ε generata nel campo magnetico B a causa di un liquido conduttivo che si muove alla velocità v è quindi data da:

dove l è la distanza tra gli elettrodi nel flussometro magnetico.

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principali: Correnti parassite

Conduttori elettrici che si muovono attraverso un campo magnetico costante, o conduttori stazionari all'interno di un campo magnetico variabile, avranno correnti circolari indotte al loro interno per induzione, chiamate correnti parassite. Le correnti parassite scorrono in anelli chiusi su piani perpendicolari al campo magnetico. Hanno applicazioni utili nei freni a correnti parassite e nei sistemi di riscaldamento a induzione. Tuttavia, le correnti parassite indotte nei nuclei magnetici metallici dei trasformatori, dei motori a corrente alternata e dei generatori sono indesiderabili poiché dissipano energia (chiamate perdite del nucleo) sotto forma di calore nella resistenza del metallo. I nuclei per questi dispositivi utilizzano una serie di metodi per ridurre le correnti parassite:

• i nuclei degli elettromagneti e dei trasformatori a corrente alternata a bassa frequenza, invece di essere in metallo solido, sono spesso costituiti da pile di lamiere metalliche, chiamate lamierini , separate da rivestimenti non conduttivi. Queste piastre sottili riducono le correnti parassite indesiderate, come descritto di seguito.
• Gli induttori e i trasformatori utilizzati a frequenze più elevate hanno spesso nuclei magnetici realizzati in materiali magnetici non conduttivi come ferrite o polvere di ferro tenuti insieme da un legante di resina.

Le

correnti

parassite si verificano quando una massa metallica solida viene ruotata in un campo magnetico, perché la porzione esterna del metallo taglia più linee magnetiche di forza rispetto alla parte interna; quindi la forza elettromotrice indotta non è uniforme; questo tende a causare correnti elettriche tra i punti di massimo e minor potenziale. Le correnti parassite consumano una notevole quantità di energia e spesso causano un aumento dannoso della temperatura. ^[25]

In questo esempio sono mostrate solo cinque lamierine o lastre, in modo da mostrare la suddivisione delle correnti parassite. Nell'uso pratico, il numero di lamierini o punzonature varia da 40 a 66 per pollice (da 16 a 26 per centimetro) e riduce la perdita di correnti parassite a circa l'uno percento. Mentre il Le piastre possono essere separate mediante isolamento, la tensione è così bassa che il naturale rivestimento di ruggine/ossido delle piastre è sufficiente per impedire il flusso di corrente attraverso i laminati. ^[25]

Si tratta di un rotore di circa 20 mm di diametro proveniente da un motore a corrente continua utilizzato in un lettore CD. Si notino i lamierini delle espansioni polari dell'elettromagnete, utilizzati per limitare le perdite induttive parassite.

Induzione parassita all'interno dei

conduttori

In questa illustrazione, un solido conduttore a barra di rame su un'armatura rotante passa appena sotto la punta dell'espansione polare N del magnete di campo. Si noti la distribuzione irregolare delle linee di forza attraverso la barra di rame. Il campo magnetico è più concentrato e quindi più forte sul bordo sinistro della barra di rame (a,b) mentre il campo è più debole sul bordo destro (c,d). Poiché i due bordi della barra si muovono con la stessa velocità, questa differenza di campo La forza attraverso la barra crea spirali o vortici di corrente all'interno della barra di rame. ^[25]

I dispositivi ad alta frequenza di potenza, come motori elettrici, generatori e trasformatori, utilizzano più piccoli conduttori in parallelo per interrompere i flussi parassiti che possono formarsi all'interno di grandi conduttori solidi. Lo stesso principio viene applicato ai trasformatori utilizzati a una frequenza superiore alla potenza, ad esempio quelli utilizzati negli alimentatori a commutazione e nei trasformatori di accoppiamento a frequenza intermedia dei ricevitori radio.

Vedi anche

Note di riferimento

Riferimenti

Ulteriori letture