induzione elettromagnetica
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INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Faraday scoprì che muovendo rapidamente un magnete vicino ad una bobina, in questa passava una corrente elettrica che cessava di esistere quando il magnete era in quiete. Questo fenomeno mostrava un nuovo legame tra elettricità e magnetismo INDUZIONE ELETTROMAGNETICA L’effetto si riproduce anche se è la bobina a muoversi rispetto al magnete… INDUZIONE ELETTROMAGNETICA …oppure se la variazione di campo magnetico sulla bobina è prodotto da un’altra bobina in cui passa una corrente variabile INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Faraday ne concluse che una qualsiasi variazione di campo magnetico prodotta in una bobina determina l’insorgere di una differenza di potenziale nella bobina stessa, ovvero che un campo magnetico variabile ha effetti elettrici. Questo fenomeno prende il nome di induzione elettromagnetica LEGGE DI FARADAYNEUMANN-LENZ Tutti questi fatti portarono alla formulazione di una legge fondamentale, della legge di FaradayNeumann-Lenz S ( B) V t Cioè, la differenza di potenziale indotta in una spira in un tempo Δt è uguale al rapporto tra la variazione del flusso del campo magnetico attraverso la superficie della spira e il tempo, cambiato di segno LEGGE DI FARADAYNEUMANN-LENZ Questa è, in effetti, solo una approssimazione: la legge esatta non fa riferimento a tempi finiti ma infinitamente piccoli, ovvero alle derivate d S ( B) V dt Cioè, la differenza di potenziale indotta in una spira è uguale alla derivata rispetto al tempo del flusso del campo magnetico attraverso la superficie della spira, cambiata di segno LEGGE DI FARADAYNEUMANN-LENZ Il segno “-”, introdotto da Lenz, deriva dal fatto indicato nelle diapositive precedenti che il verso in cui circola la corrente, è sempre opposto, nel senso della regola della mano destra, alla variazione del flusso del campo magnetico LEGGE DELLA CIRCUITAZIONE Poiché la differenza di potenziale in una linea chiusa è matematicamente uguale alla circuitazione del campo elettrico, possiamo riformulare la legge di F-N-L in questo modo: d S ( B) CL ( E ) dt Dove L non è più inteso come un oggetto materiale ma come la linea che contorna la superficie S LEGGE DELLA CIRCUITAZIONE Quindi, in presenza di campi magnetici variabili, il campo elettrico non è più conservativo. Questo non significa però che l’energia elettrica può essere creata dal nulla: poiché la corrente indotta si oppone sempre alla variazione di flusso, è necessaria energia per mantenere tale variazione. Quindi, in realtà l’induzione elettromagnetica non produce energia, ma trasforma in energia elettrica altre forme di energia AUTOINDUZIONE Quando in una bobina circola una corrente variabile questa produce intorno a sé un campo magnetico variabile, il quale a sua volta produce nella bobina stessa una corrente indotta che si sovrappone a quella originaria: questo fenomeno è detto autoinduzione AUTOINDUZIONE La corrente autoindotta, essendo sempre opposta alla variazione che l’ha prodotta, ha l’effetto di ostacolare la variazione di corrente nella bobina, ed è quindi assimilabile ad un attrito. Questo fenomeno può essere sia utile che dannoso, a seconda dei casi, e quindi le bobine verranno studiate in modo da rendere massimo o minimo questo effetto. CORRENTI PARASSITE Nelle bobine in acciaio di un motore elettrico nascono, per effetto dell’induzione elettromagnetica, delle correnti dette correnti parassite perché il loro effetto è quello di dissipare in calore energia e quindi rendere meno efficiente il motore CORRENTI PARASSITE In questo caso il fenomeno dell’induzione deve essere minimizzato e ciò è ottenuto costruendo il nucleo delle bobine non in un blocco unico ma con lamelle isolate tra loro, in modo da ostacolare il passaggio delle correnti parassite CORRENTI PARASSITE Il riscaldamento dovuto alle correnti parassite è invece sfruttato dai piani di cottura in vetroceramica, in cui una serie di bobine di induzione producono tali correnti nella pentola metallica AUTOINDUZIONE: MATEMATICA Il flusso magnetico in una bobina è proporzionale alla corrente i che passa nella bobina S ( B) L i dove L prende il nome di coefficiente di autoinduzione. Sostituendo nella legge di F.N.L. e ricordando che L è una costante si ottiene la formula della differenza di potenziale in un induttore di V L dt CAMPO MAGNETICO DI UN SOLENOIDE B d i 0 i B 2d Al centro della spira solenoide B0i n Al centro del solenoide n Numero di spire Per unità di lunghezza INDUZIONE MAGNETICA S B B S B n f.e.m . t R i f.e.m. i R AUTOINDUZIONE corrente i Flusso di campo magnetico concatenato Coefficiente di Dipende dalla L autoinduzione forma geometrica i del circuito Li L i i f.e .m . L t t AUTOINDUZIONE i L t chiusura interruttore ON apertura interruttore OFF INDUZIONE ELETTROMAGNETICA Le scoperte di Faraday ebbero enormi implicazioni sia teoriche che pratiche: di fatto tutti gli apparecchi elettrici derivano da queste scoperte DINAMO Facendo ruotare una serie di bobine (di solito 2 o 4) tra i poli di un magnete si genera corrente nelle bobine: questa è la dinamo ALTERNATORE Facendo ruotare una serie di magneti o elettromagneti in presenza di bobine fisse si genera in esse corrente: questo è l’alternatore. Gli alternatori sono usati per la produzione di massa di corrente e possono avere grandi dimensioni TRASFORMATORE Accoppiando due bobine, il passaggio in una di esse di corrente alternata induce nell’altra una corrente alternata con differenti voltaggio e amperaggio: questo è il trasformatore TRASFORMATORE In una spira dB Espira dt VP NPEspira N E N V S spira S S V N E N P P spira P Per la corrente, valendo la conservazione dell’energia IPVP ISVS VSNSEspira NS VS VP NP V N P IS IP IP P V N S S MOTORE ELETTRICO Del resto, anche se la prima scoperta va a Oersted, Faraday fu anche uno dei pionieri dello studio dell’interazione tra magneti e correnti, da cui deriva il motore elettrico
