Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica è un fenomeno che consiste nel verificarsi di una forza o tensione elettromotrice in un corpo situato in un campo magnetico in continua evoluzione. Una forza elettromotrice come risultato dell'induzione elettromagnetica si verifica anche se un corpo si muove in un campo magnetico statico e non uniforme, o ruota in un campo magnetico in modo che le sue linee che intersecano un anello chiuso cambino.
Corrente elettrica indotta
Con il concetto di "induzione" si intende l'emergere di un processo come risultato dell'impatto di un altro processo. Ad esempio, può essere indotta una corrente elettrica, cioè può apparire come risultato dell'esposizione di un conduttore a un campo magnetico in un modo speciale. Tale corrente elettrica è chiamata indotta. Le condizioni per la formazione di una corrente elettrica a seguito del fenomeno dell'induzione elettromagnetica sono discusse più avanti nell'articolo.
Il concetto di campo magnetico
PrimaPer iniziare a studiare il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, è necessario capire cos'è un campo magnetico. In parole povere, un campo magnetico è una regione dello spazio in cui un materiale magnetico mostra i suoi effetti e le sue proprietà magnetiche. Questa regione dello spazio può essere rappresentata utilizzando linee chiamate linee di campo magnetico. Il numero di queste linee rappresenta una quantità fisica chiamata flusso magnetico. Le linee del campo magnetico sono chiuse, iniziano al polo nord del magnete e terminano al sud.
Il campo magnetico ha la capacità di agire su qualsiasi materiale con proprietà magnetiche, come il ferro conduttore di corrente elettrica. Questo campo è caratterizzato dall'induzione magnetica, che è indicata con B e si misura in tesla (T). Un'induzione magnetica di 1 T è un campo magnetico molto forte che agisce con una forza di 1 newton su una carica puntiforme di 1 coulomb, che vola perpendicolarmente alle linee del campo magnetico ad una velocità di 1 m / s, cioè 1 T=1 Ns / (mCl).
Chi ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica?
L'induzione elettromagnetica, sul principio su cui si basano molti dispositivi moderni, è stata scoperta all'inizio degli anni '30 del XIX secolo. La scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica è solitamente attribuita a Michael Faraday (data di scoperta - 29 agosto 1831). Lo scienziato si è basato sui risultati degli esperimenti del fisico e chimico danese Hans Oersted, il quale ha scoperto che un conduttore attraverso il quale scorre una corrente elettrica creaun campo magnetico attorno a sé, cioè comincia a mostrare proprietà magnetiche.
Faraday, a sua volta, ha scoperto l'opposto del fenomeno scoperto da Oersted. Ha notato che un campo magnetico variabile, che può essere creato modificando i parametri della corrente elettrica nel conduttore, porta alla comparsa di una differenza di potenziale alle estremità di qualsiasi conduttore di corrente. Se queste estremità sono collegate, ad esempio, tramite una lampada elettrica, una corrente elettrica scorrerà attraverso tale circuito.
Di conseguenza, Faraday ha scoperto un processo fisico, a seguito del quale una corrente elettrica appare in un conduttore a causa di un cambiamento nel campo magnetico, che è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Allo stesso tempo, per la formazione di una corrente indotta, non importa cosa si muove: il campo magnetico o il conduttore stesso. Questo può essere facilmente dimostrato conducendo un esperimento appropriato sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Quindi, dopo aver posizionato il magnete all'interno della spirale metallica, iniziamo a spostarlo. Se colleghi le estremità della spirale attraverso un indicatore di corrente elettrica in un circuito, puoi vedere l'aspetto della corrente. Ora dovresti lasciare il magnete da solo e muovere la spirale su e giù rispetto al magnete. L'indicatore mostrerà anche l'esistenza di corrente nel circuito.
Esperimento di Faraday
Gli esperimenti di Faraday consistevano nel lavorare con un conduttore e un magnete permanente. Michael Faraday scoprì per la prima volta che quando un conduttore si muove all'interno di un campo magnetico, alle sue estremità sorge una differenza di potenziale. Il conduttore in movimento inizia ad attraversare le linee del campo magnetico, che simulal'effetto della modifica di questo campo.
Lo scienziato ha scoperto che i segni positivi e negativi della differenza di potenziale risultante dipendono dalla direzione in cui si muove il conduttore. Ad esempio, se il conduttore viene sollevato in un campo magnetico, la differenza di potenziale risultante avrà una polarità +-, ma se questo conduttore viene abbassato, otterremo già una polarità +. Questi cambiamenti nel segno dei potenziali, la cui differenza è chiamata forza elettromotrice (EMF), portano alla comparsa in un circuito chiuso di una corrente alternata, cioè una corrente che cambia costantemente direzione nell'opposto.
Caratteristiche dell'induzione elettromagnetica scoperte da Faraday
Conoscendo chi ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica e perché esiste una corrente indotta, spiegheremo alcune delle caratteristiche di questo fenomeno. Quindi, più velocemente muovi il conduttore in un campo magnetico, maggiore sarà il valore della corrente indotta nel circuito. Un' altra caratteristica del fenomeno è la seguente: maggiore è l'induzione magnetica del campo, cioè più forte questo campo, maggiore è la differenza di potenziale che può creare spostando il conduttore nel campo. Se il conduttore è fermo in un campo magnetico, in esso non si genera EMF, poiché non vi è alcun cambiamento nelle linee di induzione magnetica che attraversano il conduttore.
Direzione corrente elettrica e regola della mano sinistra
Per determinare la direzione nel conduttore della corrente elettrica creata a seguito del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, puoiusa la cosiddetta regola della mano sinistra. Può essere formulato come segue: se la mano sinistra è posizionata in modo che le linee di induzione magnetica, che iniziano al polo nord del magnete, entrino nel palmo e il pollice sporgente è diretto nella direzione di movimento del conduttore in il campo del magnete, quindi le restanti quattro dita della mano sinistra indicheranno la direzione del movimento della corrente indotta nel conduttore.
Esiste un' altra versione di questa regola, è la seguente: se il dito indice della mano sinistra è diretto lungo le linee di induzione magnetica e il pollice sporgente è diretto nella direzione del conduttore, allora il il dito medio ruotato di 90 gradi rispetto al palmo indicherà la direzione della corrente apparsa nel conduttore.
Il fenomeno dell'autoinduzione
Hans Christian Oersted ha scoperto l'esistenza di un campo magnetico attorno a un conduttore o una bobina con corrente. Lo scienziato ha anche scoperto che le caratteristiche di questo campo sono direttamente correlate alla forza della corrente e alla sua direzione. Se la corrente nella bobina o nel conduttore è variabile, genererà un campo magnetico che non sarà stazionario, cioè cambierà. A sua volta, questo campo alternato porterà alla comparsa di una corrente indotta (il fenomeno dell'induzione elettromagnetica). Il movimento della corrente di induzione sarà sempre opposto alla corrente alternata che circola attraverso il conduttore, cioè resisterà a ogni cambiamento nella direzione della corrente nel conduttore o nella bobina. Questo processo è chiamato autoinduzione. La differenza elettrica risultantepotenziali è chiamato l'EMF dell'autoinduzione.
Si noti che il fenomeno dell'autoinduzione si verifica non solo quando cambia la direzione della corrente, ma anche quando cambia, ad esempio, quando aumenta a causa di una diminuzione della resistenza nel circuito.
Per la descrizione fisica della resistenza esercitata da qualsiasi variazione di corrente in un circuito dovuta all'autoinduzione, è stato introdotto il concetto di induttanza, che si misura in henries (in onore del fisico americano Joseph Henry). Un henry è una tale induttanza per la quale, quando la corrente cambia di 1 ampere in 1 secondo, si genera un EMF nel processo di autoinduzione, pari a 1 volt.
Corrente alternata
Quando un induttore inizia a ruotare in un campo magnetico, a causa del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, crea una corrente indotta. Questa corrente elettrica è variabile, il che significa che cambia direzione sistematicamente.
La corrente alternata è più comune della corrente continua. Quindi, molti dispositivi che funzionano dalla rete elettrica centrale utilizzano questo tipo di corrente. La corrente alternata è più facile da indurre e trasportare rispetto alla corrente continua. Di norma, la frequenza della corrente alternata domestica è 50-60 Hz, ovvero in 1 secondo la sua direzione cambia 50-60 volte.
La rappresentazione geometrica della corrente alternata è una curva sinusoidale che descrive la dipendenza della tensione dal tempo. Il periodo completo della curva sinusoidale per la corrente domestica è di circa 20 millisecondi. Secondo l'effetto termico, la corrente alternata è simile alla correnteCC, la cui tensione è Umax/√2, dove Umax è la tensione massima sulla curva sinusoidale CA.
L'uso dell'induzione elettromagnetica nella tecnologia
La scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica ha prodotto un vero e proprio boom nello sviluppo della tecnologia. Prima di questa scoperta, gli esseri umani erano in grado di generare elettricità solo in quantità limitate utilizzando batterie elettriche.
Attualmente, questo fenomeno fisico viene utilizzato nei trasformatori elettrici, nei riscaldatori che convertono la corrente indotta in calore e nei motori elettrici e nei generatori di automobili.
