Principi Fondamentali del Flusso Magnetico e Induzione Elettromagnetica

Flussi e Concetto di Flusso Magnetico

Per contare il numero di linee di campo che attraversano la pista a forma di anello del vostro esperimento, Faraday definì il concetto di flusso magnetico come il prodotto della densità del campo magnetico sulla zona del vettore superficie (perpendicolare alla superficie ed uguale in grandezza a quella zona).

Il flusso attraverso la superficie è rappresentativo delle linee elettriche che attraversano la superficie ed è uguale al prodotto scalare tra il campo magnetico $\vec{B}$ e il vettore superficie $\vec{S}$, tenendo conto dell'angolo tra la direzione del campo magnetico e la normale alla superficie considerata.

Legge di Faraday-Henry

Nell'esperimento di Faraday-Henry si è scoperto che se le variazioni di flusso magnetico avvengono bruscamente (ad esempio spostando il magnete più rapidamente), l'intensità della corrente elettrica indotta aumenta. La variazione del flusso magnetico nel tempo è data dalla cosiddetta legge di Faraday:

Legge di Lenz

La direzione della corrente che fluisce attraverso la bobina nell'esperimento di Faraday-Henry è definita dalla cosiddetta legge di Lenz (dal fisico estone Heinrich Lenz, 1804 - 1865): la corrente indotta da un campo magnetico variabile assume un verso tale da opporsi alla causa che la provoca.

• Legge di Lenz: quando un magnete si avvicina al circuito magnetico, genera una corrente che induce un campo magnetico che respinge il magnete (a).
• Quando il magnete si allontana (b), la corrente generata produce un campo che tende ad attrarre il magnete verso il circuito.

Unificazione delle Leggi di Faraday e Lenz

Le leggi di Lenz e Faraday si uniscono in un unico principio definendo il concetto di loop orientato, ovvero un circuito a cui è stato assegnato un unico verso, chiamato principale o positivo, lungo il quale è orientato il vettore superficie.

Quindi:

• La forza elettromotrice indotta nel circuito è positiva quando la corrente generata ha il senso orario.
• È negativa altrimenti.

Il flusso magnetico attraverso un ciclo orientato è uguale al prodotto scalare $\vec{B} \cdot \vec{S}$, dove $\vec{S}$ è il vettore superficie orientato positivamente.

Induzione Mutua e Autoinduttanza

Induzione Reciproca

Nelle sue prime esperienze sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, Faraday non utilizzò magneti, ma due spire poste una sull'altra ed elettricamente isolate. Quando variava l'intensità della corrente in una di esse, si generava una corrente indotta nell'altra. Questo è il fenomeno dell'induzione reciproca, dove il campo magnetico non è prodotto da un magnete, ma da una corrente elettrica.

La variazione di corrente in una bobina risulta in un campo magnetico variabile. Questo campo magnetico crea anche un flusso magnetico variabile che attraversa l'altra bobina e induce in essa, secondo la legge di Faraday-Henry, una forza elettromotrice. Qualsiasi delle bobine della coppia può essere considerata elemento induttore o elemento indotto, da cui l'epiteto di induzione reciproca.

Autoinduzione

Si ottiene il fenomeno dell'autoinduzione quando una corrente subisce un'induzione su sé stessa. Una bobina percorsa da una corrente variabile può essere considerata attraversata da un flusso variabile dovuto al suo campo magnetico proprio, il che porta a una forza elettromotrice autoindotta. In questo caso, alla corrente iniziale si aggiungerà un termine ulteriore dovuto all'induzione magnetica della bobina su sé stessa.

Tutte le bobine nei circuiti in corrente alternata (AC) mostrano il fenomeno dell'autoinduzione e sostengono un flusso magnetico variabile, ma il fenomeno, sebbene transitorio, è presente anche nei circuiti in corrente continua (DC).

Nei momenti in cui si chiude o si apre l'interruttore, l'intensità di corrente varia da zero a un valore costante o viceversa. Questa variazione di intensità porta a un fenomeno di autoinduzione di breve durata, responsabile della scintilla che si osserva aprendo il circuito; la scintilla è la manifestazione di questa corrente autoindotta aggiuntiva.

La Forza Elettromotrice Sinusoidale

La legge di Faraday espressa nella forma $\varepsilon = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ rappresenta, in senso stretto, la f.e.m. media indotta nell'intervallo di tempo $\Delta t$. La forza elettromotrice indotta varia nel tempo, assumendo valori positivi e negativi in modo alternato, proprio come la funzione seno. Il suo valore massimo dipende dall'intensità del campo magnetico del magnete, dalla superficie delle spire, dal numero di spire e dalla velocità con cui la spira ruota all'interno del campo magnetico. Quando applicata a un circuito elettrico, porterebbe a una corrente alternata.

Trasformatori: Elevazione e Abbassamento di Tensione

Si definisce trasformatore una macchina elettrica che può aumentare o diminuire la tensione o la differenza di potenziale (d.d.p.) in un circuito a corrente alternata, mantenendo costante la frequenza. Sono dispositivi basati sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica e sono composti, nella loro forma più semplice, da due bobine avvolte su un nucleo di ferro chiuso.

Applicando una forza elettromotrice alternata al primario, le variazioni di intensità e direzione della corrente alternata creeranno un campo magnetico variabile. Questo cambiamento del campo magnetico causerà, per induzione, la comparsa di una forza elettromotrice ai capi dell'avvolgimento secondario.

Il rapporto tra la forza elettromotrice di induzione applicata all'avvolgimento primario e la forza elettromotrice indotta ottenuta nel secondario è direttamente proporzionale al numero di spire negli avvolgimenti primario ($N_P$) e secondario ($N_S$):

$$\frac{\varepsilon_P}{\varepsilon_S} = \frac{N_P}{N_S}$$

I trasformatori sono utilizzati nelle sottostazioni elettriche dei sistemi di trasmissione di energia elettrica. Al fine di ridurre le perdite per effetto Joule dovute alla resistenza dei conduttori per il trasporto di energia elettrica su lunghe distanze, si utilizzano trasformatori che elevano la d.d.p. (e abbassano la corrente) generata nelle centrali elettriche. Quando l'energia raggiunge la destinazione, è necessario utilizzare trasformatori per ridurre queste d.d.p. e adattarle per l'uso nelle abitazioni o nelle industrie.

Fonti di Generazione di Energia Elettrica

Centrali Termoelettriche

Una centrale termoelettrica è un impianto utilizzato per generare elettricità a partire dal calore. Questo calore può essere ottenuto da:

• Fonti fossili: combustibili come petrolio, gas naturale o carbone.
• Nucleare: tramite la fissione dell'uranio o di altri combustibili nucleari utilizzati nella futura fusione.

Nella sua forma più classica, gli impianti termoelettrici sono costituiti da una caldaia in cui il combustibile viene bruciato per produrre calore che viene trasferito ai tubi in cui circola acqua che evapora. Il vapore ottenuto ad alta pressione e temperatura si espande poi in una turbina a vapore che guida un alternatore il cui movimento genera elettricità. Successivamente, il vapore viene raffreddato in un condensatore dove scorre acqua fredda proveniente da un fiume o da una torre di raffreddamento.

Impianto Idroelettrico

Un impianto idroelettrico è utilizzato per generare elettricità sfruttando l'energia potenziale dell'acqua immagazzinata in una diga situata a un livello superiore rispetto all'impianto. L'acqua viene convogliata...

Energia Eolica

L'energia eolica è ottenuta dal vento, ovvero l'energia cinetica generata dall'effetto delle correnti d'aria o delle vibrazioni che il vento produce.

I mulini a vento sono stati utilizzati per secoli per macinare il grano, pompare l'acqua o per altre attività che richiedono energia. Oggi, le turbine eoliche sono utilizzate per generare energia elettrica, soprattutto nelle zone esposte a venti frequenti, come le zone costiere, le alte montagne e le isole.

L'energia eolica è legata al movimento delle masse d'aria mosse dalle aree di alta pressione atmosferica verso le zone adiacenti di bassa pressione. La velocità è proporzionale al gradiente di pressione. L'aria viene convogliata verso la sala macchine della centrale, dove enormi turbine idrauliche producono energia elettrica.

Le due caratteristiche principali di una centrale idroelettrica, dal punto di vista della sua capacità di generazione di energia elettrica sono:

1. La potenza della turbina e del generatore.
2. L'energia...