Questo tutorial spiegherà il concetto di EMF induttivo e quando si verifica. Guarderemo anche l'induttanza come parametro chiave per la comparsa del flusso magnetico quando un campo elettrico appare in un conduttore.
L'induzione elettromagnetica è la generazione di corrente elettrica tramite campi magnetici che cambiano nel tempo. Grazie alle scoperte di Faraday e Lenz, le regolarità furono formulate in leggi, che introdussero la simmetria nella comprensione dei flussi elettromagnetici. La teoria di Maxwell riuniva la conoscenza della corrente elettrica e dei flussi magnetici. Attraverso le scoperte di Hertz, l'umanità imparò le telecomunicazioni.
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Flusso magnetico
Un campo elettromagnetico appare intorno a un conduttore con una corrente elettrica, ma in parallelo si verifica anche il fenomeno opposto, l'induzione elettromagnetica. Consideriamo il flusso magnetico come esempio: se un telaio conduttore è posto in un campo elettrico con induzione e spostato dall'alto in basso lungo le linee di forza magnetiche, o da destra a sinistra perpendicolarmente ad esse, allora il flusso magnetico attraverso il telaio sarà un valore costante.
Se il telaio ruota intorno al suo asse, allora dopo un certo tempo il flusso magnetico cambierà di una certa quantità. Questo produrrà un EMF nel telaio e una corrente elettrica, che è chiamata corrente di induzione.
CEM induttivo
Cerchiamo di capire il concetto di CEM induttivo in dettaglio. Quando un conduttore è posto in un campo magnetico e si muove con le linee di campo che si incrociano, nel conduttore appare una forza elettromotrice chiamata EMF induttiva. Si verifica anche se il conduttore rimane fermo e il campo magnetico si muove e interseca le linee di campo con il conduttore.
Quando un conduttore, in cui si genera un EMF, viene cortocircuitato con un circuito esterno, una corrente induttiva inizia a scorrere nel circuito a causa della presenza di questo EMF. L'induzione elettromagnetica comporta il fenomeno dell'induzione di campi elettromagnetici in un conduttore nel momento in cui è attraversato da linee di campo magnetico.
L'induzione elettromagnetica è il processo inverso della trasformazione dell'energia meccanica in corrente elettrica. Questo concetto e le sue leggi sono ampiamente utilizzati in ingegneria elettrica e la maggior parte delle macchine elettriche sono basate su questo fenomeno.
Faraday e Lenz
Le leggi di Faraday e di Lenz rappresentano le leggi dell'induzione elettromagnetica.
Faraday ha rivelato che gli effetti magnetici appaiono come risultato del cambiamento del flusso magnetico nel tempo. Nel momento in cui un conduttore è attraversato da una corrente magnetica alternata, si genera una forza elettromotrice nel conduttore, dando luogo a una corrente elettrica. Sia un magnete permanente che un elettromagnete possono generare corrente.
Lo scienziato ha scoperto che l'intensità della corrente aumenta quando il numero di linee elettriche che attraversano il circuito cambia rapidamente. Il CEM dell'induzione elettromagnetica è in relazione diretta con il flusso magnetico.
Secondo la legge di Faraday, la formula dell'induzione elettromagnetica EMF è definita come segue:
E = - dF/dt.
Il segno meno indica la relazione tra la polarità del campo elettromagnetico indotto, la direzione del flusso e la velocità che cambia.
Secondo la legge di Lenz, è possibile caratterizzare la forza elettromotrice in funzione della sua direzione. Qualsiasi cambiamento nel flusso magnetico nella bobina provoca un EMF di induzione, con un EMF crescente che si verifica quando il cambiamento è rapido.
Se una bobina con un EMF di induzione è cortocircuitata con un circuito esterno, allora una corrente di induzione scorre attraverso di essa, causando un campo magnetico intorno al conduttore e dando alla bobina le proprietà di un solenoide. Come risultato, un campo magnetico proprio si forma intorno alla bobina.
E.H. Lenz stabilì la legge secondo la quale si determinano la direzione della corrente di induzione nella bobina e il campo elettromagnetico di induzione. La legge afferma che l'EMF induttivo nella bobina forma una corrente nella bobina nella direzione in cui il flusso magnetico dato della bobina permette di evitare un cambiamento del flusso magnetico estraneo.
La legge di Lenz si applica a tutte le situazioni di induzione di corrente elettrica nei conduttori, indipendentemente dalla loro configurazione o dal metodo di modifica del campo magnetico esterno.
Il movimento di un filo in un campo magnetico
Il valore del CEM indotto è determinato in base alla lunghezza del conduttore attraversato dalle linee di campo. Con più linee di forza, il valore del campo elettromagnetico indotto aumenta. Quando il campo magnetico e l'induzione aumentano, nel conduttore si genera un valore maggiore di CEM. Così, il valore del CEM in un conduttore che si muove in un campo magnetico è in correlazione diretta con l'induzione del campo magnetico, la lunghezza del conduttore e la sua velocità.
Questa dipendenza si riflette nella formula E = Blv, dove E è il EMF di induzione; B è il valore dell'induzione magnetica; I è la lunghezza del conduttore; v è la velocità del suo movimento.
Si noti che in un conduttore che si muove in un campo magnetico, l'induzione EMF appare solo quando attraversa le linee di forza del campo magnetico. Se il conduttore si muove lungo le linee di campo, allora nessun campo elettromagnetico è indotto. Per questo motivo, la formula si applica solo quando il movimento del conduttore è perpendicolare alle linee di forza.
La direzione dei campi elettromagnetici indotti e della corrente elettrica nel conduttore è determinata dalla direzione del movimento del conduttore stesso. Una regola della mano destra è stata sviluppata per rivelare la direzione. Se si tiene il palmo della mano destra in modo che le linee di campo entrino nella sua direzione e il pollice punta nella direzione del conduttore, allora le quattro dita rimanenti mostrano la direzione del campo elettromagnetico indotto e la direzione della corrente elettrica nel conduttore.
Bobina rotante
La funzione di un generatore di corrente elettrica si basa sulla rotazione di una bobina in un flusso magnetico, dove ci sono un certo numero di bobine. I campi elettromagnetici sono indotti in un circuito elettrico sempre quando è attraversato da un flusso magnetico, in base alla formula flusso magnetico F = B x S x cos α (induzione magnetica moltiplicata per la superficie attraverso cui passa il flusso magnetico e il coseno dell'angolo formato dal vettore direzione e perpendicolare al piano della linea).
Secondo la formula, F è influenzato dai cambiamenti delle situazioni:
- un cambiamento nel flusso magnetico cambia il vettore di direzione;
- l'area racchiusa dal circuito cambia;
- l'angolo è cambiato.
Si può indurre un campo elettromagnetico quando il magnete è fermo o la corrente è invariata, ma semplicemente ruotando la bobina intorno al suo asse all'interno del campo magnetico. In questo caso, il flusso magnetico cambia al variare dell'angolo. La bobina attraversa le linee di flusso magnetico mentre ruota, generando un EMF. Con una rotazione uniforme, c'è un cambiamento periodico del flusso magnetico. Anche il numero di linee di forza, che sono attraversate ogni secondo, diventano uguali in intervalli di tempo uguali.
Nei generatori AC in pratica la bobina rimane ferma e l'elettromagnete ruota intorno ad essa.
Autoinduzione EMF
Quando una corrente elettrica alternata passa attraverso una bobina, si genera un campo magnetico alternato, caratterizzato da un flusso magnetico variabile che induce un EMF. Questo fenomeno è chiamato auto-induzione.
Poiché il flusso magnetico è proporzionale all'intensità della corrente elettrica, la formula per il CEM di autoinduzione è quindi la seguente:
F = L x I, dove L è l'induttanza, che si misura in Gn. Il suo valore è determinato dal numero di spire per unità di lunghezza e dalla dimensione della loro sezione trasversale.
Induzione reciproca
Quando due bobine sono affiancate, esibiscono un EMF di induzione reciproca che è determinato dalla configurazione dei due circuiti e dal loro orientamento reciproco. All'aumentare della separazione dei circuiti, il valore dell'induttanza reciproca diminuisce perché c'è una diminuzione del flusso magnetico comune alle due bobine.
Diamo un'occhiata più da vicino a come avviene l'induzione reciproca. Ci sono due bobine, sul filo di una con N1 giri scorre una corrente I1, che crea un flusso magnetico e passa attraverso la seconda bobina con N2 numero di giri.
Il valore dell'induttanza reciproca della seconda bobina rispetto alla prima bobina:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valore del flusso magnetico:
F21 = (M21/N2) x I1.
Il campo elettromagnetico indotto è calcolato con la formula:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Nella prima bobina il valore del campo elettromagnetico indotto è:
E1 = - M12 x dI2/dt.
È importante notare che la forza elettromotrice indotta dalla mutua induzione in una delle bobine è in ogni caso direttamente proporzionale alla variazione della corrente elettrica nell'altra bobina.
L'induttanza reciproca è quindi assunta pari a:
M12 = M21 = M.
Di conseguenza, E1 = - M x dI2/dt e E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), dove K è il fattore di accoppiamento tra i due valori di induttanza.
L'interinduzione è ampiamente utilizzata nei trasformatori, che danno la possibilità di cambiare i valori di una corrente elettrica alternata. Il dispositivo è una coppia di bobine avvolte su un nucleo comune. La corrente nella prima bobina forma un flusso magnetico variabile nel nucleo magnetico e la corrente nella seconda bobina. Con meno spire nella prima bobina che nella seconda, la tensione aumenta, e corrispondentemente con più spire nella prima bobina, la tensione diminuisce.
Oltre alla generazione e alla trasformazione di energia elettrica, il fenomeno dell'induzione magnetica è utilizzato in altri dispositivi. Per esempio, nei treni a levitazione magnetica, che si muovono senza contatto diretto con la corrente nelle rotaie, ma un paio di centimetri più in alto grazie alla repulsione elettromagnetica.
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