L' induzione elettromagnetica è definita come l'induzione di una forza elettromotrice (tensione) in un corpo medio o vicino a causa della presenza di un campo magnetico variabile. Questo fenomeno fu scoperto dal fisico e chimico britannico Michael Faraday, nel corso dell'anno 1831, attraverso la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica.
Faraday ha effettuato prove sperimentali con un magnete permanente circondato da una bobina di filo e ha osservato l'induzione di una tensione su detta bobina e la circolazione di una corrente sottostante.
Michael Faraday
Questa legge afferma che la tensione indotta su un anello chiuso è direttamente proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico mentre attraversa una superficie, rispetto al tempo. Pertanto, è possibile indurre la presenza di una differenza di tensione (tensione) su un corpo adiacente a causa dell'influenza di campi magnetici variabili.
A sua volta, questa tensione indotta dà luogo alla circolazione di una corrente corrispondente alla tensione indotta e all'impedenza dell'oggetto di analisi. Questo fenomeno è il principio di azione dei sistemi di alimentazione e dei dispositivi di uso quotidiano, quali: motori, generatori e trasformatori elettrici, forni a induzione, induttori, batterie, ecc.
Formula e unità
L'induzione elettromagnetica osservata da Faraday è stata condivisa con il mondo della scienza attraverso modelli matematici che consentono di replicare questo tipo di fenomeni e di prevedere il loro comportamento.
Formula
Per calcolare i parametri elettrici (tensione, corrente) associati al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, è necessario innanzitutto definire quale sia il valore dell'induzione magnetica, attualmente noto come campo magnetico.
Per sapere qual è il flusso magnetico che attraversa una certa superficie, è necessario calcolare il prodotto dell'induzione magnetica per detta area. Così:
Dove:
Φ: flusso magnetico
B: induzione magnetica
S: superficie
La legge di Faraday indica che la forza elettromotrice che viene indotta sui corpi vicini è data dalla velocità di variazione del flusso magnetico rispetto al tempo, come di seguito dettagliato:
Dove:
ε: forza elettromotrice
Sostituendo il valore del flusso magnetico nell'espressione precedente, abbiamo quanto segue:
Se si applicano integrali ad entrambi i lati dell'equazione per delimitare un percorso finito per l'area associata al flusso magnetico, si ottiene un'approssimazione più precisa del calcolo richiesto.
Inoltre, in questo modo viene limitato anche il calcolo della forza elettromotrice in un circuito chiuso. Pertanto, quando si applica l'integrazione in entrambi i membri dell'equazione, si ottiene che:
Unità di misura
L'induzione magnetica viene misurata nel Sistema internazionale di unità (SI) in Tesla. Questa unità di misura è rappresentata dalla lettera T e corrisponde all'insieme delle seguenti unità di base.
Un tesla è equivalente all'induzione magnetica uniforme che produce un flusso magnetico di 1 weber su una superficie di un metro quadrato.
Secondo il sistema di unità cegesimale (CGS), l'unità di misura dell'induzione magnetica è il gauss. La relazione di equivalenza tra entrambe le unità è la seguente:
1 tesla = 10.000 gauss
L'unità di misura dell'induzione magnetica deve il suo nome all'ingegnere, fisico e inventore serbo-croato Nikola Tesla. È stato chiamato in questo modo a metà degli anni '60.
Come funziona?
Si chiama induzione perché non c'è connessione fisica tra gli elementi primari e secondari; di conseguenza, tutto avviene attraverso connessioni indirette e intangibili.
Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica si verifica data l'interazione delle linee di forza di un campo magnetico variabile sugli elettroni liberi di un vicino elemento conduttore.
Per questo, l'oggetto o il mezzo su cui avviene l'induzione deve essere disposto perpendicolarmente alle linee di forza del campo magnetico. In questo modo la forza esercitata sugli elettroni liberi è maggiore e, di conseguenza, l'induzione elettromagnetica è molto più forte.
A sua volta, la direzione di circolazione della corrente indotta è data dalla direzione data dalle linee di forza del campo magnetico variabile.
Da parte sua, ci sono tre metodi attraverso i quali il flusso del campo magnetico può essere variato per indurre una forza elettromotrice su un corpo o un oggetto vicino:
1- Modificare il modulo del campo magnetico, tramite variazioni dell'intensità del flusso.
2- Modificare l'angolo tra il campo magnetico e la superficie.
3- Modificare la dimensione della superficie inerente.
Quindi, una volta modificato un campo magnetico, viene indotta nell'oggetto vicino una forza elettromotrice che, a seconda della resistenza alla circolazione di corrente che ha (impedenza), produrrà una corrente indotta.
In quest'ordine di idee, la proporzione di detta corrente indotta sarà maggiore o minore della corrente primaria, a seconda della configurazione fisica del sistema.
Esempi
Il principio dell'induzione elettromagnetica è la base del funzionamento dei trasformatori di tensione elettrica.
Il rapporto di trasformazione di un trasformatore di tensione (step-down o step-up) è dato dal numero di avvolgimenti che ha ogni avvolgimento del trasformatore.
Pertanto, a seconda del numero di bobine, la tensione nel secondario può essere maggiore (trasformatore elevatore) o inferiore (trasformatore elevatore), a seconda dell'applicazione all'interno del sistema elettrico interconnesso.
In modo simile, anche le turbine che producono elettricità nei centri idroelettrici funzionano grazie all'induzione elettromagnetica.
In questo caso, le pale della turbina muovono l'asse di rotazione che si trova tra la turbina e il generatore. Ciò si traduce quindi nella mobilizzazione del rotore.
A sua volta, il rotore è costituito da una serie di avvolgimenti che, in movimento, danno luogo ad un campo magnetico variabile.
Quest'ultimo induce una forza elettromotrice nello statore del generatore, che è collegato ad un sistema che permette di trasportare in linea l'energia generata durante il processo.
Attraverso i due esempi sopra riportati è possibile rilevare come l'induzione elettromagnetica faccia parte della nostra vita nelle applicazioni elementari della vita quotidiana.
Riferimenti
- Induzione elettromagnetica (sf). Estratto da: electronics-tutorials.ws
- Induzione elettromagnetica (sf). Estratto da: nde-ed.org
- Oggi nella storia. 29 agosto 1831: scoperta dell'induzione elettromagnetica. Estratto da: mx.tuhistory.com
- Martín, T. e Serrano, A. (nd). Induzione magnetica. Politecnico di Madrid. Madrid, Spagna. Estratto da: montes.upm.es
- Sancler, V. (sf). Induzione elettromagnetica. Estratto da: euston96.com
- Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Tesla (unità). Estratto da: es.wikipedia.org