ELETTROMAGNETE: COMPOSIZIONE, PARTI, COME FUNZIONA E APPLICAZIONI - FISICO - 2024

Un elettromagnete è un dispositivo che produce magnetismo dalla corrente elettrica. Se la corrente elettrica cessa, anche il campo magnetico scompare. Nel 1820 si scoprì che una corrente elettrica produce un campo magnetico nel suo ambiente. Quattro anni dopo fu inventato e costruito il primo elettromagnete.

Il primo elettromagnete era costituito da un ferro di cavallo di ferro verniciato con vernice isolante e su di esso erano avvolte diciotto spire di filo di rame senza isolamento elettrico.

Figura 1. Elettromagnete. Fonte: pixabay

I moderni elettromagneti possono avere varie forme a seconda dell'uso finale che verrà loro dato; ed è il cavo che è isolato con vernice e non il nucleo di ferro. La forma più comune del nucleo di ferro è quella cilindrica, su cui è avvolto il filo di rame isolato.

Puoi realizzare un elettromagnete con il solo avvolgimento che produce un campo magnetico, ma il nucleo di ferro moltiplica l'intensità del campo.

Quando la corrente elettrica passa attraverso l'avvolgimento di un elettromagnete, il nucleo di ferro si magnetizza. Cioè, i momenti magnetici intrinseci del materiale si allineano e si sommano, intensificando il campo magnetico totale.

Il magnetismo in quanto tale è noto almeno dal 600 a.C., quando il greco Talete di Mileto parlò in dettaglio del magnete. La magnetite, un minerale di ferro, produce magnetismo in modo naturale e permanente.

Vantaggi degli elettromagneti

Un indubbio vantaggio degli elettromagneti è che il campo magnetico può essere stabilito, aumentato, diminuito o rimosso controllando la corrente elettrica. Quando si realizzano magneti permanenti, sono necessari elettromagneti.

Perché sta succedendo questo? La risposta è che il magnetismo è intrinseco alla materia così come lo è all'elettricità, ma entrambi i fenomeni si manifestano solo in determinate condizioni.

Tuttavia, si può dire che la sorgente del campo magnetico è in movimento cariche elettriche o corrente elettrica. All'interno della materia, a livello atomico e molecolare, si producono queste correnti che producono campi magnetici in tutte le direzioni che si annullano a vicenda. Questo è il motivo per cui i materiali normalmente non mostrano magnetismo.

Il modo migliore per spiegarlo è pensare che piccoli magneti (momenti magnetici) siano alloggiati all'interno della materia quel punto in tutte le direzioni, quindi il loro effetto macroscopico viene annullato.

Nei materiali ferromagnetici, i momenti magnetici possono allineare e formare regioni chiamate domini magnetici. Quando viene applicato un campo esterno, questi domini si allineano.

Quando il campo esterno viene rimosso, questi domini non tornano alla loro posizione casuale originale, ma rimangono parzialmente allineati. In questo modo il materiale si magnetizza e forma un magnete permanente.

Composizione e parti di un elettromagnete

Un elettromagnete è composto da:

- Un avvolgimento di cavo isolato con vernice.

- Un'anima in ferro (opzionale).

- Una sorgente di corrente, che può essere diretta o alternata.

Figura 2. Parti di un elettromagnete. Fonte: autocostruito.

L'avvolgimento è il conduttore attraverso il quale passa la corrente che produce il campo magnetico e viene avvolta sotto forma di molla.

Nell'avvolgimento, le spire o le spire sono generalmente molto ravvicinate. Ecco perché è estremamente importante che il filo con cui è realizzato l'avvolgimento abbia un isolamento elettrico, che si ottiene con una vernice speciale. Lo scopo della verniciatura è che anche quando le bobine sono raggruppate e si toccano, rimangono elettricamente isolate e la corrente continua il suo corso a spirale.

Più spesso è il conduttore dell'avvolgimento, maggiore è la corrente che il cavo sopporterà, ma limita il numero totale di spire che possono essere avvolte. È per questo motivo che molte bobine elettromagnetiche utilizzano un filo sottile.

Il campo magnetico prodotto sarà proporzionale alla corrente che attraversa il conduttore dell'avvolgimento e anche proporzionale alla densità delle spire. Ciò significa che più giri per unità di lunghezza vengono posizionati, maggiore è l'intensità del campo.

Più sono strette le spire dell'avvolgimento, maggiore è il numero che si adatterà a una data lunghezza, aumentando la loro densità e quindi il campo risultante. Questo è un altro motivo per cui gli elettromagneti utilizzano cavi isolati con vernice invece di plastica o altro materiale, che aggiungerebbe spessore.

Solenoide

In un elettromagnete a solenoide o cilindrico come quello mostrato in figura 2, l'intensità del campo magnetico sarà data dalla seguente relazione:

B = μ⋅n⋅I

Dove B è il campo magnetico (o induzione magnetica), che nelle unità del sistema internazionale si misura in Tesla, μ è la permeabilità magnetica del nucleo, n è la densità di spire o il numero di spire per metro e infine la corrente I che circola nell'avvolgimento misurato in ampere (A).

La permeabilità magnetica del nucleo di ferro dipende dalla sua lega ed è solitamente compresa tra 200 e 5000 volte la permeabilità all'aria. Il campo risultante viene moltiplicato per questo stesso fattore rispetto a quello di un elettromagnete senza nucleo in ferro. La permeabilità all'aria è approssimativamente uguale a quella del vuoto, che è μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Come funziona?

Per comprendere il funzionamento di un elettromagnete è necessario comprendere la fisica del magnetismo.

Cominciamo con un semplice filo dritto che trasporta una corrente I, questa corrente produce un campo magnetico B attorno al filo.

Figura 3. Campo magnetico prodotto da un filo diritto. Fonte: Wikimedia Commons

Le linee del campo magnetico attorno al filo diritto sono cerchi concentrici attorno al filo conduttore. Le linee di campo rispettano la regola della mano destra, cioè, se il pollice della mano destra punta nella direzione della corrente, le altre quattro dita della mano destra indicheranno la direzione del movimento delle linee del campo magnetico.

Campo magnetico di un filo diritto

Il campo magnetico dovuto ad un filo rettilineo distante r da esso è:

Supponiamo di piegare il cavo in modo che formi un cerchio o un cappio, quindi le linee del campo magnetico al suo interno si uniscono puntando tutte nella stessa direzione, aggiungendosi e rafforzandosi. Nella parte interna del ciclo o cerchio il campo è più intenso che nella parte esterna, dove le linee di campo si separano e si indeboliscono.

Figura 4. Campo magnetico prodotto da un filo in un cerchio. Fonte: Wikimedia Commons

Il campo magnetico al centro di un loop

Il campo magnetico risultante al centro di un anello di raggio a che trasporta una corrente I è:

L'effetto si moltiplica se ogni volta pieghiamo il cavo in modo che abbia due, tre, quattro, … e molti giri. Quando avvolgiamo il cavo sotto forma di molla con spire molto ravvicinate, il campo magnetico all'interno della molla è uniforme e molto intenso, mentre all'esterno è praticamente nullo.

Supponiamo di avvolgere il cavo in una spirale di 30 giri in 1 cm di lunghezza e 1 cm di diametro. Ciò fornisce una densità di giri di 3000 giri al metro.

Campo magnetico ideale del solenoide

In un solenoide ideale il campo magnetico al suo interno è dato da:

Riassumendo, i nostri calcoli per un cavo che trasporta 1 ampere di corrente e calcolando il campo magnetico in microtesla, sempre a 0,5 cm di distanza dal cavo in diverse configurazioni:

1. Cavo diritto: 40 microtesla.
2. Cavo in un cerchio di 1 cm di diametro: 125 microtesla.
3. Spirale di 300 giri in 1 cm: 3770 microtesla = 0,003770 Tesla.

Ma se aggiungiamo alla spirale un nucleo di ferro con una permettività relativa di 100, il campo viene moltiplicato 100 volte, ovvero 0,37 Tesla.

È anche possibile calcolare la forza che l'elettromagnete in forma di solenoide esercita su una sezione del nucleo in ferro di sezione A:

Supponendo un campo magnetico di saturazione di 1,6 Tesla, la forza per sezione di metro quadrato dell'area del nucleo di ferro esercitata dall'elettromagnete sarà 10 ^ 6 Newton equivalente a 10 ^ 5 Chilogrammi di forza, ovvero 0,1 tonnellate per metro quadrato di sezione trasversale.

Ciò significa che un elettromagnete con un campo di saturazione di 1,6 Tesla esercita una forza di 10 kg su un nucleo di ferro con una sezione trasversale di 1 cm ² .

Applicazioni elettromagnetiche

Gli elettromagneti fanno parte di molti gadget e dispositivi. Ad esempio, sono presenti all'interno:

- Motori elettrici.

- Alternatori e dinamo.

- Altoparlanti.

- Relè o interruttori elettromeccanici.

- Campanelli elettrici.

- Elettrovalvole per controllo flusso.

- Dischi rigidi del computer.

- Gru di sollevamento rottami metallici.

- Separatori di metalli da rifiuti urbani.

- Freni elettrici per treni e camion.

- Macchine per la risonanza magnetica nucleare.

E molti altri dispositivi.

Riferimenti

1. García, F. Campo magnetico. Estratto da: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. e Martina, E. Magnetism. Dalla bussola allo spin. Estratto da: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14. Ed. Volume 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elettromagnete. Estratto da: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elettromagnete. Estratto da: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetizzazione. Estratto da: wikipedia.com