L’INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Un approfondimento sull'anello di
Thomson e sulle correnti di Foucault
Lezioni d'Autore
di Claudio Cigognetti
VIDEO
VIDEO
La prima legge di Ohm generalizzata (I)
Un generatore
variabile di
tensione continua,
due multimetri e un
resistore sono la
strumentazione
necessaria per la
verifica della prima
legge di Ohm in
corrente continua,
nel caso
R=costante.
La prima legge di Ohm generalizzata (II)
Se si sostituisce il
resistore con una
bobina e la corrente
continua con quella
alternata ancora il
rapporto delle coppie di
valori V e i misurati
dai multimetri è
costante, ma il suo
valore in ohm è più
elevato della resistenza
della bobina...
La prima legge di Ohm generalizzata (III)
Se si esamina una bobina, oltre al valore di R (nell’esempio in
figura, R=2,5 ) viene riportata oltre al numero di avvolgimenti,
500, anche l’induttanza L della bobina (sempre nell’esempio
citato L= 9mH, dove il simbolo mH sta per millesimi di Henry).
La prima legge di Ohm generalizzata (IV)
L’impedenza in questo caso è uguale all’espressione
Z=(R2+(2fL)2)1/2, una sorta di somma quadratica tra due
termini, quello puramente resistivo e quello induttivo
dipendente anche dalla frequenza della tensione (e corrente)
alternata.
Il valore di f (50 Hz) misurato
dal multimetro è quello
caratteristico della rete
elettrica italiana
L’induttanza (I)
Da cosa dipende l’induttanza, chiamata
anche coefficiente di autoinduzione, e
qual è il suo significato fisico?
Stavolta raddoppiando il
numero di avvolgimenti (1000)
la bobina ha un’induttanza di
36 mH, 4 volte più grande della
precedente bobina da 500
avvolgimenti (L=9 mH)
L’induttanza (II)
Confrontando due bobine che hanno le
stesse caratteristiche geometriche (a
parte lo spessore dei fili di rame), la
prima con 500 spire con induttanza
L=9 mH e la seconda da 1000 spire
con L=36 mA è spontanea l’ipotesi di
proporzionalità tra L e il quadrato del
numero N di spire che compongono la
bobina.
L’induttanza (III)
Inserendo all’interno della bobina collegata all’alimentatore
un nucleo in materiale ferromagnetico (laminato e forato),
l’intensità della corrente alternata subisce una forte
riduzione, segno dell’aumento di Z e quindi di L.
L’induttanza (IV)
In effetti, per una bobina con N spire, di
lunghezza l, area della singola spira S, al
cui interno è disposto un materiale con
permeabilità magnetica , vale
approssimativamente la relazione:
L≈N2S/l
L’induttanza (V)
Cambiando la geometria del nucleo all’interno della bobina
(ad esempio disponendo il solo giogo a forma di I in modo
simmetrico o asimmetrico rispetto ai bordi della bobina,
oppure inserendo un nucleo a forma di U, utilizzando il ferro
a U chiuso con il giogo) il modulo di Z assume valori diversi.
In figura:
bobina inserita
nel nucleo a
forma di U
L’anello di Thomson (I)
Una delle
esperienze
classiche che
sfruttano gli
effetti
dell’induzione
elettromagne
tica, è quella
dell’anello di
Elihu
Thomson.
L’anello di Thomson (II)
Facendo circolare
corrente elettrica
alternata nella
bobina, l’anello
schizza via (lo stesso
effetto si avrebbe
con una corrente
continua dovuta alla
batteria di un’auto).
L’anello di Thomson (III)
Fermando l’anello
con una mano a una
certa altezza è
possibile sospenderlo
in una posizione di
equilibrio, quasi
all’estremo superiore
del ferro.
L’anello di Thomson (IV)
Il riscaldamento dell’anello di alluminio, tanto
più grande al trascorrere del tempo,
giustifica l’ipotesi di correnti elettriche al suo
interno. Queste non avendo origine dal
collegamento diretto con un generatore sono
dette correnti indotte.
La forza repulsiva tra anello e bobina è
normalmente utilizzata per giustificare il
verso della corrente indotta nel circuito
secondario che crea un campo magnetico che
si oppone alla variazione di flusso del
primario (la legge di Lenz).
L’anello di Thomson (V)
Ripetendo l’esperienza
con due anelli di
alluminio (uno dei
quali tagliato) si
dimostra l’assenza di
correnti indotte in
grado di sollevare il
circuito secondario
aperto...
L’anello di Thomson (VI)
...questo giustifica il
fatto che il nucleo della
bobina di un
trasformatore, sia
laminato e forato
proprio per evitare la
formazione al suo
interno di correnti
indotte.
L’anello di Thomson (VII)
VIDEO
I filmati degli
esperimenti,
proposti dai
laboratori famosi
come il MIT,
puntano su salti
spettacolari
dell’anello
ottenuti dopo
aver immerso
l’alluminio in
azoto liquido per
ridurne la
resistività.
Le correnti di Foucault o parassite (I)
A dispetto del nome, le correnti
parassite hanno varie
applicazioni come per es. i freni
elettromagnetici.
E' facile mostrare il frenamento
che subisce un pendolo di
alluminio quando oscilla tra le
espansioni polari di un
magnete.
Le correnti di Foucault o parassite (II)
Allo stesso modo dell’anello di Thomson tagliato, è possibile,
con la sagoma di alluminio del pendolo lavorata in modo
opportuno, far vedere che le correnti indotte nel metallo non
sono più sufficienti per rallentare in modo apprezzabile il
pendolo.
Le correnti di Foucault o parassite (III)
Sempre classica è l’esperienza in cui si fonde un metallo a
forma di sottile anello a causa delle intense correnti che si
sviluppano in un modello di trasformatore in cui il secondario
è composto da una sola spira.
Le correnti di Foucault o parassite (IV)
Infine negli odierni
sistemi domestici di
riscaldamento a
induzione realizzati
con bobine poste al
di sotto del piano di
lavoro in
vetroceramica,
circola una corrente
alternata di elevata
frequenza
proveniente da un
circuito elettronico.
la corrente
alternata causa una
corrente indotta
nelle pentole.
Altri video
VIDEO 1 L’induzione elettromagnetica
VIDEO 2 L’induzione elettromagnetica, parte
prima
VIDEO 3 Induzione magnetica RaiScienza
VIDEO 4 L’induzione elettromagnetica, parte
seconda
VIDEO 5 Piani di cottura a induzione
VIDEO 6 Piano di cottura a induzione libero
FINE
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