Pillole per il tecnico impiantista – Campo induzione magnetica e induttore

La corrente elettrica può essere anche accumu­lata in un circuito sfrut­tando le proprietà ma­gnetiche di particolari materiali. Cercando l’analogia con un im­pianto idrico, bisogna pensare alla forza d’inerzia che agisce su una massa d’acqua quando essa viene messa in circolo in un tu­bo o quando vi si arresta: l’iner­zia cerca di mantenere l’acqua ferma quando si vuole metterla in movimento e, al contrario, di mantenerla in moto quando la si vuole arrestare. Nella pratica si trascura in quanto la massa d’ac­qua nelle tubazioni è spesso mo­destissima.

Il ruolo dell’induttore e il campo magnetico generato dalla corrente

Il componente che si oppone alla variazione rapida della corrente elettrica è l’induttore. Esso si basa sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Per definire tale fenomeno è necessario procedere per step.

Una corrente elettrica che circola in un conduttore, oltre a dar vita ai fenomeni ohmici già illustrati, genera un campo magnetico o, meglio, magnetizzante generalmente indicato con H e misurato in Ampere/metro (simbolo A/m). Tralasciando direzione e verso del campo, la sua intensità dipende da:

• intensità della corrente (I) e distanza dal conduttore rettilineo (d): H = [I/(2∙π∙d)];
• intensità della corrente (I) e raggio della spira circolare (R): H = [I/(2∙R)] (nel centro della spira);
• intensità di corrente (I), numero di spire (N) e lunghezza del solenoide (l): H = [(N∙I)/l] (lungo l’asse del solenoide).

Se il campo magnetico prodotto da una corrente elettrica si propaga all’interno un materiale ferromagnetico (Ferro, Permalloy, Mumetal) risulta amplificato, rispetto alla propagazione nel vuoto, di un fattore denominato permeabilità magnetica (μ) tipico del materiale stesso. In questo caso prende il nome di campo induzione magnetica, generalmente indicato con B e misurato in Tesla (simbolo T), la cui intensità vale: B = μ∙H

Il flusso (F) del campo induzione magnetica B attraverso una superficie chiusa – unità di misura Weber (simbolo Wb) – dipende de dall’area della superficie (A), dall’intensità del campo e dall’in­clinazione della superficie rispet­to al campo.

Nel caso di perpen­dicolarità fra campo B prodotto da un solenoide (o bobina) di N spire e superficie, l’intensità del flusso vale:

con L che prende il nome di in­duttanza e si misura in Henry (simbolo H).

Se il flusso F viene fatto variare nel tempo, all’inter­no del conduttore che delimita la superficie chiusa nascerà u­na corrente elettrica indotta che circolerà in modo tale da oppor­si a tale variazione: è l’enuncia­to della legge di Lenz alla ba­se del fenomeno dell’induzione elettromagnetica.

La legge di Faraday-Neumann-Lenz consen­te di quantificare la corrente e­lettrica indotta partendo dalla determinazione della tensione indotta (Vi) che la genera:

Grazia alla legge di Ohm, nota la resistenza (R) del conduttore che delimita la superficie:

Si può calcolare la corrente elet­trica indotta (Ii) che, così come Vi, è direttamente proporzionale alla velocità con cui varia il flus­so nel tempo. Il flusso può varia­re per diversi motivi: se varia

1. l’intensità del campo magnetico,
2. l’area della superficie o
3. la sua orientazione rispetto al cam­po,
4. la geometria del solenoide (N e l).

Il metodo più pratico ed efficace è quello di far variare B variando l’intensità di corrente e­lettrica che lo genera.

Applicazioni dell’induzione elettromagnetica

La possibilità di far circolare u­na corrente elettrica in un circu­ito privo di generatore (indotto), semplicemente facendo variare nel tempo la corrente che circola in un circuito alimentato (indut­tore) è alla base di una svariata casistica di applicazioni: il tra­sformatore, il motore asincrono (a induzione), l’alternatore, il pia­no cottura a induzione, i sistemi di ricarica wireless sfruttano tutti l’induzione elettromagnetica per funzionare.

ESEMPIO 1

Variando la resistenza R del reostato si varia l’intensità di corrente circolante nel circuito induttore. La variazione di corrente provoca la variazione del campo magnetico (B) prodotto dal solenoide e, quindi, la variazione del flusso del campo B concatenato con il circuito indotto. Per la legge di Lenz circolerà una corrente indotta (li) con verso tale da contrastare la variazione di flusso.

La tensione indotta ai capi della lampadina dipende, in base alla legge di Faraday-Neumann-Lenz, dalla velocità con cui varia il flusso e quindi dalla velocità con cui varia la resistenza del reostato. In questo caso l’induzione elettromagnetica serve alimentare un carico elettrico dal circuito indotto, a patto di far variare sempre la resistenza del reostato.

ESEMPIO 2

Con la chiusura dell’interruttore la corrente (I) nel circuito induttore passa in un tempo brevissimo dal valore nullo al valore che dipende dalla tensione della batteria e dalla resistenza del circuito. Insieme alla corrente varia il campo magnetico (B) ed il flusso che si concatena con l’avvolgimento del circuito indotto.

Per la legge di Lenz circolerà una corrente indotta (li) con verso tale da contrastare la variazione di flusso. Per la legge di Faraday-Neumann-Lenz il valore di tale corrente è molto elevato poiché il flusso è variato con una velocità molto alta. Il misuratore di corrente indica valore e verso della corrente indotta.

Lo stesso fenomeno, invertito, si manifesterà all’apertura dell’interruttore. In questo caso l’induzione elettromagnetica serve ad ottenere nel circuito una variazione della corrente di tipo graduale e non istantaneo.