L'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

La scoperta dell'induzione elettromagnetica e la corrente indotta

Dopo la scoperta di Orested,secondo cui una corrente elettrica è in grado di produrre un campo magnetico, fu naturale da parte degli scienziati del tempo se valesse anche l'inverso, ovvero se, e in quali condizioni, un campo magnetico fosse in grado di generare una corrente elettrica. La risposta positiva venne nel 1831 da Michael Faraday,il quale ebbe il merito di intuire che, come si era osservato nella produzione di un campo magnetico da parte di una carica, anche in questo caso servisse il movimento. Una carica in quiete non genera un campo magnetico, mentre una carica in movimento (ovvero una corrente elettrica) è in grado di spostare l'ago di una bussola. Analogamente, un campo magnetico stazionario non provoca alcun moto di cariche in un circuito, ma un campo magnetico in movimento (per esempio un magnete in moto all'interno di un solenoide) determina una corrente in un conduttore. alla corrente provoca in questo modo Faraday dette il nome di corrente indotta e al fenomeno connesso quello di induzione elettromagnetica.

Muovendo un magnete nelle vicinanze di un conduttore verrà indotta una corrente elettrica all'interno del conduttore; quando il movimento del magnete cessa, si arresta anche il flusso di corrente all'interno del conduttore. Lo stesso avviene se il conduttore è in movimento all'interno del campo magnetico in quiete, infatti ciò che genera il fenomeno dell'induzione elettromagnetica che è il movimento relativo tra un conduttore e un campo magnetico. In conclusione si può dire che si ha produzione di corrente indotta, e quindi di forza elettromotrice indotta (f.e.m.), tutte le volte che un circuito elettrico viene attraversato da un campo magnetico che varia nel tempo.

Per verificare la variazione della corrente indotta in un circuito costituito da un solenoide si collegano i due estremi del filo conduttore avvolto attorno alla bobina a un galvanometro, uno strumento che misura le piccole variazioni di corrente. Se il solenoide non è collegato ad un generatore di tensione il galvanometro non registra corrente, ma se lo avviciniamo ad un magnete si verifica un passaggio di di una corrente elettrica indotta. Lo stesso avviene se teniamo fermo il magnete e muoviamo il circuito: il galvanometro misurerà una variazione di corrente. A seconda della resistenza variabile, il campo magnetico cresce o decresce: Quando la resistenza è piccola, la corrente genera un forte campo magnetico Quando la resistenza è grande, il campo magnetico è piccolo. Se all'interno del circuito si produce una corrente elettrica, significa che agli estremi del circuito si è prodotta una differenza di potenziale, ovvero una forza elettromotrice (f.e.m.) indotta. Il valore della f.e.m. indotta è direttamente proporzionale alla variazione del numero delle linee di forza del campo attraverso il solenoide, espresso attraverso il flusso del campo magnetico.

Il flusso del campo magnetico

Si definisce flusso del campo magnetico attraverso una superficie S il prodotto della componente del campo magnetico perpendicolare alla superficie per la superficie stessa:

Se θ è l'angolo tra il vettore campo magnetico B e la superficie S, il flusso attraverso la superficie è dato da:

Il flusso di un campo magnetico risulta dunque massimo nel caso in cui le linee di fora del campo siano perpendicolari alla superficie S e nullo nel caso in cui siano parallele. Tutte le altre volte il flusso è dato dalla proiezione del vettore campo magnetico sulla superficie S moltiplicato per la superficie. Nel Sistema Internazionale, il flusso magnetico si misura in weber, dove 1 Wb = 1 T·1 m².

La legge di Faraday-Neumann

Si può dire che si ha corrente indotta in un circuito quando si ha variazione nel tempo del flusso di un campo magnetico. La legge di Faraday-Neumann stabilisce che il valore della f.e.m. indotta è uguale al rapporto tra la variazione del flusso del campo magnetico e il tempo necessario per avere tale variazione.

Verso della corrente indotta

Avvicinando un magnete a un circuito, la variazione di flusso del campo magnetico produce nel circuito una corrente indotta. Questa corrente genera a sua volta un campo magnetico, il cui effetto sul circuito è quello di opporsi al campo magnetico che l'ha generata. Questo significa che se la f.e.m. è stata generata da un aumento del flusso del campo magnetico concatenato col circuito essa tende a far circolare una corrente di verso opposto a quello inducente.

L'autoinduzione e la muta induzione

Poiché si ha una "forza controelettromotrice" ogni volta che interviene una variazione di flusso di una campo magnetico, se consideriamo un solenoide nel quale si fa, per esempio, aumentare l'intensità della corrente, si produrrà un campo magnetico variabile. Man mano che l'intensità di corrente aumenta, aumenta anche il flusso del campo magnetico generato dalla corrente stessa, quindi sul solenoide si produrrà una corrente indotta, il cui effetto à quello di opporsi all'aumento della corrente inducente. Questo fenomeno prende il nome di autoinduzione e la f.e.m. che si genera prende il nome di f.e.m. autoindotta. Inoltre due circuiti vicini possono produrre campi magnetici che generano flussi magnetici nell'altro circuito. Se la corrente in uno dei due circuiti varia si osserva il fenomeno della mutua induzione.

L'alternatore

L‘alternatore è una macchina elettrica rotante la quale, tramite l’induzione elettromagnetica, converte l’energia cinetica fornita dal motore primo in energia elettrica, sotto forma di corrente alternata. Il nome con il quale si definisce questo particolare processo, è conversione elettromagnetica dell’energia; essa coinvolge la formazione di campi magnetici, che andranno ad agire come mezzo intermedio.

Schematicamente, un alternatore si può immaginare costituito da una spira girevole intorno a un asse, entro il campo magnetico generato da una elettrocalamita fissa. I due estremi della spira sono collegati a due anelli, isolati tra loro, detti collettori, sui quali strisciano due spazzole di carbone. La diversa orientazione della spira fa sì che il flusso magnetico vari continuamente, generando così una corrente indotta. Il flusso magnetico che varia produce una forza elettromotrice alternata. Questa tensione alternata provoca una corrente alternata che scorre con intensità variabile, per metà periodo in un senso e per l'altra nel senso opposto.

Tensione e corrente alterata

Il valore di una tensione alternata si indica con una quantità convenzionale chiamata valore efficace di 220V che è il valore di una tensione continua che, circolando attraverso una resistenza, fornirebbe la stessa energia ottenuta mediante la tensione alternata. Il valore di una corrente alternata è l'intensità di una corrente continua che, circolando attraverso una resistenza, fornirebbe la stessa energia liberata dalla corrente alternata.

Le centrali elettriche

La centrale elettrica è un impianto per la produzione di energia elettrica, ottenuta mediante la trasformazione di energia di altro tipo. Il primo passo dello sfruttamento di qualsiasi fonte primaria di energia è la generazione di potenza meccanica, che servirà poi a mettere in funzione un generatore di corrente, per la conversione finale in elettricità. Le centrali elettriche sono classificate in base alla fonte primaria di energia utilizzata. Si distinguono in termoelettriche, quando la sorgente di energia è il calore generato dalla combustione di carbon fossile o nafta, idroelettriche, quando si sfrutta l’energia potenziale della caduta di una massa d’acqua, e termonucleari, se il calore proviene da un processo di fissione nucleare.

La centrale idroelettrica

In una centrale idroelettrica possiamo distinguere tre parti fondamentali: Un bacino di raccolta dell’acqua, una condotta che porta l’acqua in un gruppo turbina-generatore, posto in un edificio a valle del bacino. Il principio di funzionamento è semplice: l’acqua del bacino scorre attraverso la condotta, investe le pale della turbina, che mette in moto l’albero dell’alternatore, che a sua volta produce la corrente elettrica. L’energia potenziale dell’acqua si trasforma in energia cinetica della turbina e quindi in energia elettrica. La quantità di energia che può produrre una centrale idroelettrica dipende dall’energia potenziale che ha l’acqua del bacino e quindi da due fattori: la massa di acqua che si raccoglie nel bacino e il dislivello dell’acqua rispetto alla turbina.

La centrale termoelettrica

Nelle centrali termoelettriche, per la produzione del vapore si utilizzano combustibili chimici (petrolio, carbone o gas) o nucleari. Sia le centrali a petrolio che quelle a carbone hanno come sottoprodotti della combustione sostanze fortemente inquinanti; perciò devono avere dei camini alti per poter disperdere gas e polveri inquinanti nell’alta atmosfera.

Gli elementi fondamentali di una centrale termoelettrica sono: Caldaia,turbina,alternatore e condensatore. Nella caldaia viene prodotto un fluido ad alta pressione e temperatura che raggiunge la turbina, costituita da un insieme di ruote su cui è sistemata una serie di pale. Sotto l’azione del fluido la turbina ruota e fa girare il suo asse, collegato all’alternatore, da cui parte la linea elettrica verso l’esterno. Perciò l’energia meccanica della turbina viene trasformata in energia elettrica. Dalla turbina il vapore passa in un condensatore dove si raffredda e condensa diventando acqua che ritorna alla caldaia e il ciclo riprende.

La centrale nucleare

Il funzionamento di una centrale nucleare è simile a quello di una centrale termica; la differenza sostanziale sta nel combustibile. Nella centrale nucleare il calore proviene dalla fissione nucleare, cioè da una scissione dei nuclei di uranio quando sono bombardati da neutroni. La scissione dell’atomo è accompagnata da una produzione di energia sotto forma di calore e di altri neutroni che provocano nuove fissioni, in una reazione a catena controllata. Il calore prodotto viene asportato con un fluido refrigerante, che può essere acqua (reattori ad acqua) o gas (reattori a gas). Le centrali nucleari non rilasciano nell’atmosfera i gas derivati dalla combustione, come invece fanno quelle a combustibile chimico. Tuttavia, le scorie radioattive prodotte dalla fissione possono causare danni alla natura e all’uomo.

Le energie rinnovabili

Si chiama energia rinnovabile l’elettricità prodotta con tutte le fonti alternative rispetto ai tradizionali combustibili fossili(petrolio, olio combustibile, carbone). Le fonti si chiamano rinnovabili perché si rinnovano, hanno la connaturata caratteristica di rinnovarsi, ovvero di non esaurirsi a causa delle loro trasformazione da parte nostra in energia fruibile. Le rinnovabili sono fonti energetiche diffuse nella forza dell’acqua dei fiumi e degli oceani, nel vento e nel sole.

Il trasformatore

Il trasformatore è una macchina elettrica capace di trasferire energia elettrica da un circuito (detto primario) in un altro circuito (dato secondario) modificando la tensione e la corrente. Esso è costituito da due solenoidi isolati (i circuiti) tra loro elettricamente, ma avvolti sullo stesso magnete. Facendo passare corrente alternata sul primario, si genera un campo magnetico che varia con la stessa frequenza del circuito. Le linee di forza del campo magnetico restano confinate entro il magnete e passano attraverso il circuito secondario, provocando una f.e.m. indotta che ha la medesima frequenza della tensione del primario. Il trasformatore è detto abbassatore o riduttore e produce correnti in uscita con tensioni minori.