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L’induzione elettromagnetica
Un magnete in movimento e un circuito fisso
Una corrente elettrica produce un campo magnetico (si pensi per esempio all’esperienza di
Oersted). Un fatto abbastanza notevole è che – sotto particolari condizioni – anche un campo
magnetico può produrre correnti elettriche in un circuito.
Consideriamo un circuito composto solo da un solenoide e
da un amperometro (che chiameremo circuito indotto), come
in figura 1. Poniamo un magnete immobile vicino al circuito;
l’amperometro non registra alcuna corrente. Se però
muoviamo il magnete in modo che il campo magnetico che
attraversa il solenoide non sia costante osserviamo che
l’amperometro rivela una corrente. Poiché un corrente è
sempre prodotta da una forza elettromotrice diremo che il
magnete in movimento produce una f.e.m. indotta nel circuito; chiameremo la corrente prodotta da
tale f.e.m. corrente indotta. Riguardo alla corrente indotta possiamo fare alcune osservazioni:
1)
se il magnete è fermo non si osserva alcuna corrente
2)
la corrente indotta quando il magnete si allontana scorre nel verso opposto rispetto a quella
indotta quando il magnete si avvicina
3)
l’intensità della corrente indotta dipende anche dalla velocità con cui viene mosso il magnete
4)
si ha lo stesso effetto tenendo fermo il magnete e muovendo il circuito
Un circuito in movimento e uno fisso
Un solenoide percorso da corrente produce un campo magnetico analogo a quello di una sbarretta
uniformemente magnetizzata. È quindi ragionevole supporre che, se ripetiamo l’esperimento
illustrato in figura 1 sostituendo il magnete con un circuito – che chiameremo circuito induttore –
contenente un solenoide percorso da una corrente costante (figura 2), i risultati saranno gli stessi.
Anche in questo caso possiamo osservare che:
1)
non si ha alcun effetto se i due circuiti sono fermi l’uno rispetto all’altro;
2)
il verso della corrente indotta si inverte a seconda che allontaniamo o avviciniamo il
circuito induttore;
3)
l’intensità della corrente indotta aumenta all’aumentare della velocità del moto relativo dei
due circuiti;
4)
si ha esattamente lo stesso effetto tenendo fermo il circuito induttore e muovendo quello
indotto.
Circuito attraversato da una corrente variabile
Dall’analisi dei due casi precedenti sembra
dunque che si abbia una corrente indotta in un
circuito ogniqualvolta viene investito da un
campo magnetico variabile. Esistono altri
modi per produrre un campo magnetico
variabile oltre a quello di muovere una
sbarretta magnetizzata o un solenoide percorso
da una corrente costante. Possiamo per
esempio pensare di alimentare un solenoide
con una corrente variabile. Ciò può essere
realizzato in molti modi. Il più semplice è
quello di inserire nel circuito induttore una
resistenza variabile (o reostato). Poiché la differenza di potenziale fornita dalla batteria è costante,
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cambiando manualmente il valore della resistenza otterremo una corrispondente variazione nella
corrente che attraversa il solenoide e quindi nel campo magnetico da esso generato. Se sistemiamo
accanto a questo circuito un secondo circuito formato solo da un solenoide e da un amperometro
(esattamente come nei due esperimenti precedentemente visti) osserveremo ancora la presenza di
una corrente indotta in corrispondenza di una corrente variabile nel circuito induttore. In maniera
analoga a quanto visto negli altri casi anche per questa situazione si rileva che:
1)
non si ha alcun effetto quando la corrente che attraversa il circuito induttore è costante;
2)
il verso della corrente indotta si inverte a seconda che aumentiamo o diminuiamo la corrente
nel circuito induttore;
3)
l’intensità della corrente indotta aumenta aumentando al velocità con cui facciamo variare la
corrente nel circuito induttore.
Induzione elettromagnetica
Il fenomeno per cui in un circuito investito da un campo magnetico variabile viene indotta una
corrente prende il nome di induzione elettromagnetica. I fattori da cui dipende la corrente indotta
sono molteplici. In primo luogo essa dipende dalla superficie investita dal campo magnetico: nei tre
esperimenti che abbiamo visto si usa un circuito indotto con un solenoide anziché una singola spira
proprio perché in questo modo l’effetto è amplificato in quanto la superficie interessata è quella di
una spira moltiplicata per il numero di spire che compongono il solenoide. In secondo luogo la
corrente indotta risulta indipendente dall’intensità del campo magnetico, ma dipendente dalla sua
velocità di variazione. Infine, si evidenzia anche una dipendenza dell’induzione dall’angolo che il
campo magnetico forma con la superficie del circuito secondario (in particolare si può avere
assenza di induzione per particolari disposizioni del campo magnetico variabile rispetto al circuito
secondario).
L’induzione elettromagnetica nel quotidiano
Il fenomeno dell’induzione elettromagnetica è alla base praticamente di quasi tutte le tecnologie elettriche ed
elettroniche che utilizziamo quotidianamente. Possiamo dire che non esiste elettrodomestico o strumento di
lavoro elettrico che in qualche modo non basi il suo funzionamento sull’induzione elettromagnetica. Tanto
per fare qualche esempio, l’energia elettrica che giunge nelle nostre case è prodotta sfruttando i principi
dell’induzione. Gli stessi principi, poi, sono alla base della trasformazione della tensione che preleviamo
dalla presa di corrente, dal valore con cui giunge nelle nostre case a quello – più alto o più basso – necessario
per il funzionamento delle varie apparecchiature elettriche. Sull’induzione si basano il telefono e le
trasmissioni radiotelevisive, i telefoni cellulari, i radar, il forno a microonde e moltissime altre tecnologie
senza le quali la nostra vita sarebbe oggi completamente diversa.
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Verifiche di comprensione
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Come è costituito il circuito indotto?
Sotto quali condizioni un magnete in prossimità di un circuito produce una corrente indotta?
Quale differenza si osserva avvicinando o allontanando il magnete dal circuito indotto?
Da che cosa dipende l’intensità della corrente indotta?
Che cosa accade se tengo fermo il magnete e muovo il circuito?
Che cosa accade muovendo un solenoide percorso da una corrente costante vicino a un circuito?
Che cosa accade ponendo un solenoide percorso da una corrente variabile vicino a un circuito?
Che cosa accade se il solenoide è fermo e la corrente che lo attraversa è costante?
Che cosa accade quando aumentiamo/diminuiamo la corrente nel solenoide?
Che cosa succede se aumentiamo la velocità di variazione della corrente nel solenoide?
Che cosa si intende per induzione elettromagnetica?
Quali sono i fattori da cui dipende la corrente indotta?
Verifiche di conoscenza
1.
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Un magnete è fermo a 50 cm da un circuito. Lo portiamo a 25 cm dal circuito e lo lasciamo lì. La
corrente indotta nel circuito:
a. ha un valore finale maggiore del valore che aveva inizialmente
b. inizialmente è zero, diversa da zero durante lo spostamento, zero alla fine
c. inizialmente è zero, aumenta durante lo spostamento fino a un valore che mantiene alla fine
d. non cambia mai il proprio valore
Una sbarretta magnetizzata e un circuito indotto si muovono con velocità rispettivamente v1 e v2.
Si osserva che avvicinando il magnete al circuito la corrente indotta aumenta; quale è il
comportamento della corrente indotta nei seguenti casi? (la sbarretta è a sinistra del circuito)
a. v1 > 0; v2 > 0; v2 > v1
b. v1 > 0; v2 < 0
c. v1 < 0; v2 < 0; v2 = v1
d. v1 < 0; v2 > 0;
In un esperimento sull’induzione elettromagnetica un circuito induttore percorso da una corrente
costante viene avvicinato al circuito indotto. Che cosa accade se
a. allontaniamo il circuito induttore con la stessa velocità
b. aumentiamo il numero delle spire nel solenoide del circuito indotto
c. diminuiamo la velocità di avvicinamento del circuito indotto
d. avviciniamo il circuito indotto al circuito induttore fermo, con la stessa velocità
Sostituisci al posto dei puntini il vocabolo o l’espressione adeguata scelto tra alcuni di quelli
indicati: l’induzione … è il fenomeno per cui in un circuito … da un campo … non … viene
indotta una … (costante, resistenza, magnetica, magnetico, elettrostatica, corrente elettrica,
percorso, investito, elettrico, variabile, elettromagnetica)
Una spira percorsa da una corrente variabile è posta vicino ad una seconda spira. Si può
eliminare l’induzione elettromagnetica sulla seconda spira:
a. orientando opportunamente la prima spira
b. interponendo una lastra di rame tra le due spire
c. allontanando sufficientemente le due spire
d. dimezzando la massima corrente nella prima spira
La corrente che attraversa un solenoide inserito in un circuito è inizialmente zero. Alla chiusura
dell’interruttore essa aumenta dapprima molto rapidamente, poi sempre più lentamente fino ad
attestarsi su un valore costante i0. Il valore finale della corrente indotta in una spira posta in
prossimità del solenoide è:
a. un valore dipendente dalla posizione reciproca della spira e del solenoide ma indipendente
dal valore di i0
b. esattamente i0
c. zero
d. non si può rispondere senza sapere il tempo necessario per raggiungere la corrente i0 nel
solenoide
