Induttanza

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

In un loop che forma un circuito chiuso, il campo magnetico mutevole 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 di auto-induttanza, che mette in relazione la tensione attraverso i suoi terminali con il cambiamento del proprio campo magnetico.

Questo video illustrerà i concetti alla base dell'induttanza e quindi 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 induzione di Faraday, un flusso magnetico mutevole in un anello di filo genera una forza elettromotrice, o EMF, lungo il loop. Questo EMF è uguale al negativo del tasso di variazione del flusso magnetico nel tempo.

Il tasso 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 il loop 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 nel loop, 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 opposto alla velocità di variazione del campo magnetico esterno.

Ad esempio, il campo magnetico da 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 il loop. Il cambiamento del flusso magnetico - rappresentato da un vettore rivolto verso il basso - induce un EMF positivo che guida la corrente in senso antiorario come mostrato. Con la regola della mano destra, la corrente crea un campo magnetico che punta verso l'alto all'interno del ciclo per opporsi al campo magnetico o al flusso decrescente. Al contrario, spostando il magnete verso l'anello aumenta il campo magnetico lì. La variazione del flusso magnetico è rappresentata da un vettore rivolto verso l'alto. In questo caso induce un EMF negativo che guida la corrente in senso orario. Con la regola della mano destra, la corrente in questa direzione crea un campo magnetico che punta verso il basso all'interno del loop per opporsi al crescente campo magnetico o flusso.

Ora passiamo da un loop 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 quella 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 mutevole 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 di induzione della tensione attraverso i propri terminali in risposta alla corrente variabile è chiamato auto-induzione, e la tensione totale indotta attraverso il solenoide è il numero di giri 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 i seguenti esperimenti utilizzano un amperometro bipolare analogico, che ha un ago che devia a destra oa sinistra del punto zero, a seconda della direzione del flusso di corrente.

In primo luogo, ottenere un solenoide con un nucleo cavo, un magnete a barre 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 la grandezza approssimativa della deflessione dell'ago. Estrarre il magnete dal solenoide e registrare la polarità e la grandezza 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 influisce sul 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, e 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 a 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 l'interruttore viene aperto, quindi registrare il risultato. La lampadina si illumina brevemente e l'amperometro mostra una lettura positiva allo stesso tempo. Ciò accade a causa dell'auto-induzione e diversi eventi si svolgono durante questo breve periodo di tempo.

Inizialmente, quando l'interruttore è chiuso, la corrente scorre attraverso sia 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 fa sì che la corrente attraverso l'induttore diminuisca.

Questa corrente mutevole attraverso l'induttore provoca un cambiamento nel suo flusso magnetico, che a sua volta induce una corrente transitoria che si oppone alla diminuzione scorrendo nella stessa direzione della corrente originale. La combinazione dei due - corrente originale e transitoria - produce la corrente totale dell'induttore, che ora scorre attraverso la lampadina e la illumina 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 fa sì che la corrente fluisca 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 AC, 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. Il primo è la parte stazionaria, chiamata statore, che consiste in bobine fisse attorno a una cavità. Sospeso nella cavità è il rotore, che è una coppia di anelli terminali che tappano una disposizione cilindrica di barre. Un motore a induzione CA trifase utilizza l'alimentazione trifase, con ogni fase collegata al proprio set separato di bobine dello statore. Le bobine sono disposte in uno schema che genera un campo magnetico per ogni fase della potenza fornita. 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 energia 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 induce a seguire il campo magnetico dello statore, come una barra di ferro che segue i magneti intorno ad esso.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'induttanza elettromagnetica. Ora dovresti 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!