Induttori e campi magnetici. Parte 2. Induzione elettromagnetica e induttanza

La prima parte dell'articolo: Induttori e campi magnetici

La relazione tra campi elettrici e magnetici

I fenomeni elettrici e magnetici sono stati studiati per lungo tempo, ma a nessuno è mai venuto in mente di mettere in relazione questi studi tra loro. E solo nel 1820 si scoprì che un attuale conduttore agisce sull'ago della bussola. Questa scoperta appartenne al fisico danese Hans Christian Oersted. Successivamente, l'unità di misura dell'intensità del campo magnetico nel sistema GHS prese il suo nome: la designazione russa E (Oersted), la designazione inglese Oe. Il campo magnetico ha una tale intensità nel vuoto durante l'induzione di 1 Gauss.

Questa scoperta ha suggerito che un campo magnetico potrebbe essere ottenuto da una corrente elettrica. Ma allo stesso tempo, sorsero pensieri sulla trasformazione inversa, vale a dire su come ottenere una corrente elettrica da un campo magnetico. In effetti, molti processi in natura sono reversibili: il ghiaccio si ottiene dall'acqua, che può essere nuovamente sciolta in acqua.

Dopo la scoperta di Oersted, lo studio di questa ormai ovvia legge della fisica impiegò fino a ventidue anni. Lo scienziato inglese Michael Faraday era impegnato nell'ottenere elettricità da un campo magnetico. Sono stati realizzati conduttori e magneti di varie forme e dimensioni e sono state ricercate opzioni per la loro disposizione reciproca. E solo apparentemente, per caso, lo scienziato ha scoperto che per ottenere EMF alle estremità del conduttore, è necessario un altro termine: il movimento del magnete, ad es. il campo magnetico deve essere variabile.

Questo non sorprende nessuno. Ecco come funzionano tutti i generatori elettrici: mentre viene ruotato con qualcosa, viene generata l'elettricità, una lampadina brilla. Si fermò, smise di girare e la luce si spense.

Induzione elettromagnetica

Pertanto, l'EMF alle estremità del conduttore si verifica solo se viene spostato in un certo modo in un campo magnetico. O, più precisamente, il campo magnetico deve necessariamente cambiare, essere variabile. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica, nella guida elettromagnetica russa: in questo caso si dice che EMF sia indotto nel conduttore. Se un carico è collegato a tale sorgente EMF, una corrente scorrerà nel circuito.

L'entità dell'EMF indotta dipende da diversi fattori: la lunghezza del conduttore, l'induzione del campo magnetico B e in larga misura dalla velocità di movimento del conduttore nel campo magnetico. Più veloce è la rotazione del rotore del generatore, maggiore è la tensione alla sua uscita.

Nota: l'induzione elettromagnetica (il fenomeno del verificarsi di un EMF alle estremità di un conduttore in un campo magnetico alternato) non deve essere confuso con l'induzione magnetica, una quantità fisica vettoriale che caratterizza il campo magnetico reale.

Tre modi per ottenere EMF

induzione

Questo metodo è stato considerato. nella prima parte dell'articolo. È sufficiente spostare il conduttore nel campo magnetico del magnete permanente o viceversa per spostare (quasi sempre per rotazione) il magnete vicino al conduttore. Entrambe le opzioni ti permetteranno sicuramente di ottenere un campo magnetico alternato. In questo caso, il metodo per ottenere EMF è chiamato induzione. È l'induzione che viene utilizzata per ottenere EMF in vari generatori. Negli esperimenti di Faraday nel 1831, il magnete si spostò progressivamente all'interno della bobina del filo.

Induzione reciproca

Questo nome suggerisce che due conduttori prendono parte a questo fenomeno. In uno di essi scorre una corrente che cambia, creando attorno ad esso un campo magnetico alternato. Se c'è un altro conduttore nelle vicinanze, allora alle sue estremità c'è un EMF variabile.

Questo metodo per ottenere EMF è chiamato induzione reciproca.È sul principio dell'induzione reciproca che funzionano tutti i trasformatori, solo i loro conduttori sono realizzati sotto forma di bobine e i nuclei realizzati con materiali ferromagnetici vengono utilizzati per migliorare l'induzione magnetica.

Se la corrente nel primo conduttore si arresta (circuito aperto), o addirittura diventa molto forte, ma costante (non ci sono cambiamenti), allora alle estremità del secondo conduttore non è possibile ottenere EMF. Ecco perché i trasformatori funzionano solo su corrente alternata: se una batteria galvanica è collegata all'avvolgimento primario, allora non ci sarà sicuramente alcuna tensione all'uscita dell'avvolgimento secondario.

L'EMF nell'avvolgimento secondario viene indotto solo quando il campo magnetico cambia. Inoltre, maggiore è il tasso di variazione, vale a dire la velocità e non il valore assoluto, maggiore è l'EMF indotta.

Autoinduzione

Se si rimuove il secondo conduttore, il campo magnetico nel primo conduttore permea non solo lo spazio circostante, ma anche il conduttore stesso. Pertanto, sotto l'influenza del suo campo nel conduttore indotto EMF, che è chiamato EMF di autoinduzione.

I fenomeni di autoinduzione nel 1833 furono studiati dallo scienziato russo Lenz. Sulla base di questi esperimenti, è stato trovato uno schema interessante: l'EMF di autoinduzione contrasta sempre, compensa il campo magnetico alternato esterno che causa questo EMF. Questa dipendenza si chiama regola di Lenz (da non confondere con la legge di Joule-Lenz).

Il segno meno nella formula parla solo di contrastare l'EMF di autoinduzione con le sue cause. Se la bobina è collegata a una sorgente di corrente continua, la corrente aumenterà abbastanza lentamente. Ciò è molto evidente quando l'avvolgimento primario del trasformatore viene "selezionato" con un ohmmetro puntatore: la velocità della freccia nella direzione della divisione della scala zero è notevolmente inferiore rispetto al controllo dei resistori.

Quando la bobina viene disconnessa dalla sorgente corrente, l'EMF a induzione automatica provoca l'accensione dei contatti del relè. Nel caso in cui la bobina sia controllata da un transistor, ad esempio una bobina di relè, un diodo viene posizionato parallelamente ad esso nella direzione opposta rispetto alla fonte di alimentazione. Questo viene fatto al fine di proteggere gli elementi a semiconduttore dall'influenza dell'autoinduzione EMF, che può decine o addirittura centinaia di volte superiore alla tensione della fonte di alimentazione.

Per condurre esperimenti, Lenz ha costruito un dispositivo interessante. Due anelli di alluminio sono fissati alle estremità del bilanciere in alluminio. Un anello è solido e l'altro è stato tagliato. Il bilanciere ruota liberamente sull'ago.

Quando un magnete permanente fu introdotto in un anello solido, "fuggì" dal magnete, e quando il magnete fu rimosso, lo cercò. Le stesse azioni con l'anello tagliato non hanno causato alcun movimento. Ciò è dovuto al fatto che in un anello continuo sotto l'influenza di un campo magnetico alternato, sorge una corrente che crea un campo magnetico. Ma nell'anello aperto non c'è corrente, quindi, non c'è nemmeno campo magnetico.

Un dettaglio importante di questo esperimento è che se un magnete viene inserito nell'anello e rimane fermo, non si osserva alcuna reazione dell'anello di alluminio alla presenza del magnete. Ciò conferma ancora una volta che l'EMF a induzione si verifica solo in caso di una variazione del campo magnetico e l'entità dell'EMF dipende dalla velocità di variazione. In questo caso, semplicemente dalla velocità di movimento del magnete.

Lo stesso si può dire per l'induzione reciproca e l'autoinduzione, solo un cambiamento nella forza del campo magnetico, più precisamente, la sua velocità di variazione dipende dalla velocità di variazione della corrente. Per illustrare questo fenomeno, possiamo fare un esempio.

Lascia che grandi correnti passino attraverso due bobine identiche sufficientemente grandi: attraverso la prima bobina da 10A e attraverso la seconda fino a 1000, con le correnti che aumentano linearmente in entrambe le bobine. Supponiamo che in un secondo la corrente nella prima bobina sia passata da 10 a 15A e nel secondo da 1000 a 1001A, che ha causato la comparsa di EMF di autoinduzione in entrambe le bobine.

Ma, nonostante un valore così grande della corrente nella seconda bobina, l'EMF di autoinduzione sarà maggiore nella prima, poiché lì il tasso di variazione della corrente è 5A / s, e nella seconda è solo 1A / s. In effetti, l'EMF di autoinduzione dipende dalla velocità di aumento della corrente (leggi il campo magnetico) e non dal suo valore assoluto.

induttanza

Le proprietà magnetiche della bobina con corrente dipendono dal numero di giri, dimensioni geometriche. Un aumento significativo del campo magnetico può essere ottenuto introducendo un nucleo ferromagnetico nella bobina. Le proprietà magnetiche della bobina possono essere giudicate con sufficiente accuratezza dall'entità dell'EMF di induzione, induzione reciproca o autoinduzione. Tutti questi fenomeni sono stati considerati sopra.

La caratteristica della bobina, che ne parla, è chiamata coefficiente di induttanza (autoinduzione) o semplicemente induttanza. Nelle formule, l'induttanza è indicata dalla lettera L e nei diagrammi la stessa lettera indica le bobine dell'induttanza.

L'unità di induttanza è Henry (GN). L'induttanza 1H ha una bobina in cui, quando la corrente cambia di 1A al secondo, viene generato un EMF di 1V. Questo valore è piuttosto grande: gli avvolgimenti di rete di trasformatori sufficientemente potenti hanno un'induttanza di uno o più GN.

Pertanto, abbastanza spesso usano valori di un ordine inferiore, vale a dire milli e microenry (mH e μH). Tali bobine sono utilizzate nei circuiti elettronici. Una delle applicazioni delle bobine sono i circuiti oscillatori nei dispositivi radio.

Inoltre, le bobine vengono utilizzate come bobine, il cui scopo principale è quello di saltare la corrente continua senza perdita indebolendo la corrente alternata (filtri negli alimentatori). In generale, maggiore è la frequenza operativa, meno bobine di induttanza sono necessarie.

reattanza induttiva

Se prendi un trasformatore di rete sufficientemente potente e misurare con un multimetro resistenza dell'avvolgimento primario, si scopre che è solo pochi ohm e persino vicino allo zero. Si scopre che la corrente attraverso un tale avvolgimento sarà molto grande e tenderà persino all'infinito. Un corto circuito sembra inevitabile! Allora perché non lo è?

Una delle principali proprietà degli induttori è la resistenza induttiva, che dipende dall'induttanza e dalla frequenza della corrente alternata che è collegata alla bobina.

È facile vedere che con un aumento della frequenza e dell'induttanza, la resistenza induttiva aumenta e in corrente continua generalmente diventa uguale a zero. Pertanto, quando si misura la resistenza delle bobine con un multimetro, viene misurata solo la resistenza attiva del filo.

Il design degli induttori è molto vario e dipende dalle frequenze alle quali opera la bobina. Ad esempio, per il lavoro nel raggio decimale delle onde radio, le bobine realizzate con cavi stampati sono abbastanza spesso utilizzate. Nella produzione di massa, questo metodo è molto conveniente.

L'induttanza di una bobina dipende dalle sue dimensioni geometriche, nucleo, numero di strati e forma. Attualmente viene prodotto un numero sufficiente di induttori standard, simile ai resistori convenzionali con conduttori. La marcatura di tali bobine viene eseguita con anelli colorati. Ci sono anche bobine a montaggio superficiale utilizzate come strozzatori. L'induttanza di tali bobine è di diversi milligeni.