Induzione elettromagnetica
Dopo che, nel 1821, Hans Christian Oersted ebbe dimostrato che un filo percorso da corrente genera un campo
magnetico, si moltiplicarono le ricerche per ottenere correnti elettriche mediante campi magnetici; i fisici che
intrapresero questo lavoro si appellavano, in sostanza, a un principio di simmetria.
Dopo alcuni anni di ricerca, nel 1831, fu l'inglese Michael Faraday a scoprire che in particolari condizioni un
campo magnetico può produrre in effetti una corrente elettrica.
Conduttori fermi e campi, magnetici variabili
La figura mostra lo schema di un dispositivo utilizzato da Faraday in uno dei suoi esperimenti: un anello di ferro
intorno al quale sono avvolte
due bobine, A1 e A2.
La bobina A1 è alimentata da una batteria ed è provvista di un interruttore I, mentre la bobina A2 fa parte di un
circuito in cui è inserito soltanto un galvanometro, cioè un rivelatore molto sensibile di corrente.
Chiudendo l'interruttore I, nella bobina A2 si ha, per un breve intervallo di tempo, un passaggio di corrente; il
fenomeno si ripete nell'istante in cui, aprendo l'interruttore, s'interrompe il passaggio della corrente in A1. Il verso
della corrente che circola in A2 alla chiusura del circuito di A1 è opposto a quello della corrente che si genera nella
stessa bobina nell'istante in cui, in A1 , si interrompe il passaggio della corrente.
La presenza del nucleo di ferro non è essenziale, ma serve solo a intensificare l'effetto.
La corrente generata in A2 è chiamata corrente indotta e la sua produzione è ora nota come induzione
elettromagnetica.
È importante sottolineare che, nell'esperimento di Faraday appena descritto, la corrente indotta dura solo per
un intervallo di tempo molto breve, quando si chiude o si apre il circuito di cui fa parte la bobina A1; durante il
tempo in cui tale circuito rimane chiuso, qualunque sia l'intensità della corrente che lo attraversa, in A2 non scorre
alcuna corrente.
Successivamente Faraday scoprì che una corrente indotta si produce anche in un'altra circostanza.
Avvicinando una calamita a una bobina collegata a un galvanometro, si misura una corrente (fig. a) durante
l'intervallo di tempo in cui il magnete è in movimento. La corrente si interrompe quando il magnete viene
arrestato.
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Se la calamita è allontanata dalla bobina (fig. b) il verso della corrente indotta. è l'opposto.
Si trova anche (fig. successiva), agli effetti del verso della corrente indotta, che l'avvicinamento del polo
Nord della calamita equivale all'allontanamento del polo Sud e, viceversa, l'avvicinamento del polo Sud
all'allontanamento del polo Nord.
In entrambi gli esperimenti, il circuito nel quale è indotta la corrente è immerso in un campo magnetico, nel
primo caso generato da una bobina alimentata da una batteria e, nel secondo, da un magnete. Questa sola
condizione non è però sufficiente; infatti, non si produce alcuna corrente indotta quando il campo magnetico è
costante.
In ogni caso, invece, nel circuito si produce una corrente indotta quando il campo magnetico varia nel tempo.
Nella prima esperienza, quando si chiude il circuito della bobina A1, la corrente che passa nelle sue spire varia da
zero a un valore massimo, con una conseguente variazione del campo magnetico da essa prodotto; analogamente,
quando si apre il circuito, il campo magnetico diminuisce dal valore massimo a zero. Anche nella seconda esperienza,
durante il movimento del magnete, il campo magnetico in cui è immerso il circuito cambia valore in ogni punto dello
spazio.
Faraday attribuì la produzione della corrente indotta, in una bobina o in un qualunque circuito, alla variazione nel
tempo del numero delle linee di forza del campo magnetico che attraversano la superficie delimitata dal circuito.
Se si avvicina alla bobina il polo Sud del magnete, la corrente indotta ha lo stesso verso che si osserva quando si
allontana da essa il polo Nord. Se si allontana il polo Sud, il verso della corrente è lo stesso di quando si
avvicina il polo Nord.
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Verso della corrente indotta e conservazione dell'energia
Il segno meno che figura nell'espressione della legge di Faraday-Neumann indica la polarità della f.e.m. indotta e
quindi il verso della corrente, in accordo con quanto stabilito da una legge scoperta dallo scienziato russo Emilij
C. Lenz nel 1834:
Legge di Lenz
Il verso nel quale la corrente indotta scorre in un circuito è tale da opporsi, tramite il flusso del campo magnetico
generato, alla variazione di flusso che ha dato origine alla corrente.
Se, per esempio, la corrente indotta è prodotta da un aumento del flusso concatenato, il campo magnetico creato
dalla corrente deve opporsi a tale aumento. Pertanto, il verso della corrente deve essere quello che dà luogo a un
campo di verso opposto rispetto al campo applicato.
Questa situazione è illustrata nella figura, dove è rappresentata una calamita in prossimità di una spira
conduttrice. Avvicinando da sinistra il polo Nord del magnete alla spira, un numero sempre maggiore delle linee di
forza del campo del magnete attraversa la spira da sinistra a destra; il flusso concatenato con la spira pertanto
aumenta.
Il verso della corrente indotta nella spira è indicato nella figura seguente, insieme con le linee di forza del
campo magnetico generato da tale corrente. Poiché queste ultime attraversano la spira in verso opposto, cioè da
destra a sinistra, l'aumento di flusso che ha messo in circolazione la corrente indotta viene in parte compensato.
Viceversa, se il polo Nord della calamita viene allontanato dalla spi ra (immaginiamo che la sequenza illustrata in
precedenza sia invertita, cioè che la calamita passi dalla posizione b alla posizione a) il flusso concatenato con la
spira diminuisce. La corrente indotta scorre allora in verso opposto rispetto al caso precedente, cioè in modo da
produrre un campo magnetico concorde con il campo applicato e capace, pertanto, di contrastare la diminuzione
di flusso.
Gli esempi considerati ci permettono di mettere in evidenza un altro importante aspetto della legge di Lenz.
Si vede chiaramente, infatti, che nel caso in cui il polo Nord della calamita sia avvicinato alla spira , quest'ultima
si comporta come un magnete avente il polo Nord rivolto verso il polo omonimo in avvicinamento. Pertanto il campo
magnetico generato dalla corrente indotta tende a respingere la calamita.
Per produrre la corrente indotta dobbiamo dunque compiere un lavoro contro la forza di repulsione esercitata
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dalla spira sulla calamita.
D'altra parte, se la forza magnetica del campo generato dalla corrente indotta non si opponesse al moto della
calamita potremmo ottenere, imprimendo a questa una certa velocità iniziale, una forza elettromotrice nella spira
senza spesa di lavoro, violando così il principio di conservazione dell'energia. Inoltre, la f.e.m. andrebbe via via
aumentando perché la variazione di flusso sarebbe sempre più rapida, a causa dell'accelerazione del magnete in
direzione della spira e anche a causa della corrente indotta che, aumentando in intensità, produrrebbe un flusso
concatenato crescente concorde con il flusso del campo del magnete.
Un discorso analogo vale nel caso in cui il polo Nord della calamita si allontani dalla spira: per effetto della
corrente elettrica indotta, la spira si comporta come un magnete che rivolge il polo Sud verso la calamita,
ostacolandone in tal modo l'allontanamento.
Pertanto la legge di Lenz è, in definitiva, una conseguenza del principio di conservazione dell'energia. Nel caso
specifico in cui l'induzione elettromagnetica abbia luogo per effetto del moto relativo fra una sorgente di campo
magnetico e un circuito, la legge può anche essere enunciata dicendo che il verso della corrente indotta è tale da far
sì che il campo magnetico eserciti sulle parti in movimento delle forze resistenti, opposte al moto.
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