Induttanza

Gli induttori, tipicamente sotto forma di bobine, sono comunemente usati in molte applicazioni di circuiti. Il loro scopo è quello di immagazzinare energia magnetica quando scorre una corrente di stato stazionario.

In un circuito che forma un circuito chiuso, il campo magnetico variabile induce una forza elettromotrice che guida la corrente. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica. Un induttore è semplicemente una bobina di filo e ha la proprietà dell'autoinduttanza, che mette in relazione la tensione attraverso i suoi terminali con la variazione del proprio campo magnetico.

Questo video illustrerà i concetti alla base dell'induttanza e poi dimostrerà un esperimento di induzione utilizzando una barra magnetica e una bobina. Infine, esamineremo alcune delle attuali applicazioni per gli induttori.

Il flusso magnetico può essere pensato come la quantità di campo magnetico che passa attraverso un'area. Per un campo magnetico uniforme B perpendicolare a un'area A, il flusso magnetico phi è semplicemente il prodotto dei due. Secondo la legge di Faraday dell'induzione, un flusso magnetico variabile in un anello di filo genera una forza elettromotrice, o EMF, lungo l'anello. Questo campo elettromagnetico è uguale al negativo della velocità di variazione del flusso magnetico nel tempo.

La velocità di variazione del flusso magnetico determina la polarità della forza elettromotrice indotta. Il segno negativo nell'espressione per la legge di Faraday significa che se il campo magnetico diminuisce con il tempo, l'EMF è positivo. Se aumenta con il tempo, l'EMF è negativo. Quando l'anello è un circuito chiuso, l'EMF indotto guida la corrente che a sua volta genera il proprio campo magnetico. Questo campo magnetico ha un orientamento dato dalla regola della mano destra. Se le dita della mano destra si arricciano attorno alla direzione della corrente nell'anello, allora il pollice della mano destra punterebbe nella direzione del campo magnetico generato. La corrente indotta deve fluire nella direzione che crea un campo magnetico che si oppone alla velocità di variazione del campo magnetico esterno.

Ad esempio, il campo magnetico di questo magnete punta verso l'alto attraverso un singolo anello di filo. Allontanando il magnete dall'anello si riduce l'intensità del campo magnetico attraverso l'anello. La variazione del flusso magnetico, rappresentata da un vettore che punta verso il basso, induce un campo elettromagnetico positivo che guida la corrente in senso antiorario, come mostrato. Secondo la regola della mano destra, la corrente crea un campo magnetico che punta verso l'alto all'interno del loop per opporsi alla diminuzione del campo magnetico o del flusso. Al contrario, spostando il magnete verso l'anello si aumenta il campo magnetico lì. La variazione del flusso magnetico è rappresentata da un vettore che punta verso l'alto. In questo caso induce un campo elettromagnetico negativo che guida la corrente in senso orario. Secondo la regola della mano destra, la corrente in questa direzione crea un campo magnetico che punta verso il basso all'interno dell'anello per opporsi all'aumento del campo magnetico o del flusso.

Passiamo ora da un anello a un solenoide, che è semplicemente più anelli di filo avvolti attorno a un nucleo di aria o materiale magnetico. È un induttore comunemente usato nei circuiti elettrici. Se la corrente scorre attraverso un solenoide, crea un campo magnetico all'interno dell'induttore. La direzione di questo campo magnetico è data dalla regola della mano destra. Questo campo a sua volta produce un flusso magnetico nella stessa direzione di quello del campo, e la quantità di questo flusso è proporzionale alla corrente. Pertanto, se la corrente cambia con il tempo, cambia anche il flusso magnetico. Seguendo la legge di Faraday, il flusso variabile induce una tensione che guida la corrente attraverso la bobina in modo tale che il campo magnetico della corrente indotta si opponga al cambiamento del flusso originale. Questo fenomeno dell'induzione di tensione attraverso i propri terminali in risposta alla variazione della corrente è chiamato autoinduzione e la tensione totale indotta attraverso il solenoide è il numero di spire N, moltiplicato per l'EMF di un singolo anello.

Ora che abbiamo spiegato le basi, vediamo come studiare l'induzione elettromagnetica in un laboratorio di fisica.

Tutti gli esperimenti seguenti utilizzano un amperometro bipolare analogico, che ha un ago che devia a destra o a sinistra del punto zero, a seconda della direzione del flusso di corrente.

Innanzitutto, procurati un solenoide con un nucleo cavo, un magnete ad asta con poli nord e sud chiaramente etichettati e l'amperometro bipolare analogico. Quindi collegare il solenoide all'amperometro. Per la prima prova, inserire il polo nord del magnete nell'estremità del solenoide collegato al terminale negativo dell'amperometro. Osservare l'amperometro e registrare la polarità e l'entità approssimativa della deflessione dell'ago. Estrarre il magnete dal solenoide e registrare la polarità e l'entità approssimativa della deflessione dell'ago dell'amperometro.

Ora gira il magnete e inserisci e rimuovi il polo sud dall'estremità del solenoide collegato al terminale negativo dell'amperometro. Ripeti questo esperimento inserendo il polo sud del magnete nella bobina e poi rimuovendolo, prima più lentamente e poi più rapidamente rispetto alla prima prova. Quando il polo nord si avvicina ed entra nel solenoide, induce corrente che provoca una momentanea deflessione positiva dell'amperometro. Quando il polo nord viene rimosso dal solenoide, la deflessione è negativa. L'inversione dell'orientamento del magnete inverte anche la risposta dell'amperometro.

Infine, la velocità di movimento influenza il cambiamento del campo magnetico con il tempo, che determina la tensione e la corrente indotte. Un movimento più lento induce meno corrente e una lettura più piccola, mentre un movimento più veloce induce più corrente e una lettura più grande.

Per l'esperimento di autoinduttanza, collegare una lampadina, una bobina dell'induttore, un'alimentazione di tensione impostata su un volt positivo, un interruttore e l'amperometro analogico come mostrato. Assemblare il circuito con l'interruttore aperto in modo che non scorra corrente.

Chiudere l'interruttore per collegare la sorgente di tensione sia alla lampadina che alla bobina dell'induttore. Osserva la lampadina, che sembra essere scarsamente illuminata. Aprire l'interruttore per scollegare l'alimentazione di tensione dal circuito. Osservare la lampadina e l'amperometro nel momento in cui si apre l'interruttore, quindi registrare il risultato. La lampadina si illumina brevemente e contemporaneamente l'amperometro mostra una lettura positiva. Questo accade a causa dell'autoinduzione e diversi eventi si verificano durante questo breve periodo di tempo.

Inizialmente, quando l'interruttore è chiuso, la corrente scorre sia attraverso la bobina che la lampadina, ma molta più corrente scorre attraverso la bobina rispetto alla lampadina, poiché la bobina ha una resistenza inferiore rispetto alla lampadina. L'apertura dell'interruttore disconnette la sorgente di tensione. Ciò provoca la diminuzione della corrente attraverso l'induttore.

Questa variazione di corrente attraverso l'induttore provoca una variazione del suo flusso magnetico, che a sua volta induce una corrente transitoria che si oppone alla diminuzione fluendo nella stessa direzione della corrente originale. La combinazione delle due - corrente originale e transitoria - produce la corrente totale dell'induttore, che ora scorre attraverso la lampadina e la accende brevemente, e allo stesso tempo provoca una deflessione nell'amperometro per indicare una corrente positiva.

L'induzione elettromagnetica ha molte applicazioni nei dispositivi moderni ed è un metodo fondamentale per trasferire energia e informazioni senza contatto fisico.

L'induzione è il principio fondamentale alla base del funzionamento dei dispositivi chiamati trasformatori. Un trasformatore ha una coppia di terminali di ingresso collegati a un avvolgimento primario, o bobina, e una coppia di terminali di uscita collegati a un avvolgimento secondario. Un nucleo costituito da acciaio, ferrite o anche semplicemente aria, accoppia magneticamente i due avvolgimenti. Una tensione attraverso un avvolgimento provoca il flusso di corrente attraverso di esso, creando un campo magnetico. Il flusso magnetico, o la densità del campo magnetico, viene quindi accoppiato all'avvolgimento secondario attraverso il nucleo, dove induce una tensione. Questo principio è chiamato induzione reciproca.

Un'altra applicazione degli induttori sono i motori a induzione CA, che sono i cavalli di battaglia dell'industria moderna grazie alla loro semplicità, robustezza e affidabilità. Un motore a induzione ha solo due parti principali. La prima è la parte stazionaria, chiamata statore, che consiste in bobine stazionarie attorno a una cavità. Nella cavità è sospeso il rotore, che è una coppia di anelli terminali che coprono una disposizione cilindrica di barre. Un motore asincrono CA trifase utilizza l'alimentazione trifase, con ogni fase collegata al proprio set separato di bobine dello statore. Le bobine sono disposte secondo uno schema che genera un campo magnetico per ogni fase dell'alimentazione erogata. Il campo magnetico netto risultante, chiamato "campo magnetico dello statore", ruota a velocità costante.

Il flusso magnetico rotante induce corrente nel rotore, in modo simile al modo in cui un trasformatore trasferisce la potenza dalla bobina primaria a quella secondaria. La corrente attraverso le barre del rotore a sua volta crea il proprio campo magnetico, chiamato "campo magnetico del rotore indotto". L'interazione tra questi due campi produce una forza sul rotore, che lo fa seguire al campo magnetico dello statore, come una barra di ferro che segue i magneti che lo circondano.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'induttanza elettromagnetica. A questo punto dovreste capire come un campo magnetico variabile nel tempo induce una forza elettromotrice in un conduttore e come la corrente risultante produce il proprio campo magnetico. Grazie per l'attenzione!