Campi magnetici e induttanza

Un filo percorso da corrente genera attorno a sé un campo magnetico:


Se la corrente e' diretta verso l'alto il verso del campo magnetico e' antiorario.
Se il filo descrive una circonferenza si avrà


una corrente che circola in senso antiorario nel filo presentando il polo nord del campo magetico sopra e il sud magnetico sotto.

Il tipo di magnetismo generato dalla corrente elettrica si dice elettromagnetismo. Si chiama solenoide un lungo filo avvolto in modo da formare tante spire; il solenoide e' detto anche bobina.

L'intensità di campo magnetico ci indica quanto un campo magnetico e' più forte e si indica con la lettera H. L'unita' di misura del campo magnetico e' amperspire/metro indicata con Asp/m .
Se consideriamo allora un solenoide percorso dalla corrente I
esso avrà un certo numero di spire, cioè di giri, che indico con la lettera N; ed avrà una certa lunghezza in metri L. Per calcolarci il campo magnetico H utilizziamo la seguente formula:

H =   N x I
         l

In pratica l'intensità di campo magnetico H e' tanto più grande quanto più sono le spire N e la corrente, e quanto più piccola è la lunghezza l. Di solito poiché la lunghezza del solenoide non è molto grande al posto dei metri si usano i centimetri; quindi l'unita' di misura del campo magnetico diventa Asp/cm, cioè amperspire/centimetro.
La
legge dell'induzione elettromagnetica è una legge fisica che quantifica l'induzione elettromagnetica, ovvero l'effetto di produzione di corrente elettrica in un circuito posto in un campo magnetico variabile.
Franz Ernest Neumann nel 1845 calcolò matematicamente in termini di forza elettromotrice la legge :

V_i=-\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}

esssa enuncia che la forza elettromotrice indotta in un circuito è uguale alla variazione del flusso magnetico concatenato con il circuito. È importante notare come un campo magnetico costante non dia origine al fenomeno dell'induzione.

Nel circuito, riporato sopra, sulla spira si avra una corrente indotta solo quando si avra una variazione di flusso generata dal solenoide tramite:
- Variazione di corrente nel solenoide tramite il potenziometro R.
- Spostamento da sinistra verso destra o viceversa del solenoide

Non è possibile quindi collocare un magnete all'interno di un solenoide ed ottenere energie elettrica dal nulla. È necessario che il magnete o il circuito vengano mossi, in modo da avere una conversione di energia da meccanica in elettrica.
Un trasformatore può funzionare solamente in corrente alternata poichè si ha una variazione del campo magnetico.
Il fondamentale contributo di Heinrich Lenz sta nel segno negativo, infatti la corrente indotta nel circuito è a sua volta generatrice di un campo magnetico, e la legge di Lenz afferma che il verso della corrente è tale da opporsi alla variazione del campo magnetico che l'ha generata

Induttore

Un induttore è costituito da un avvolgimento di materiale conduttivo, generalmente filo di rame ricoperto da una sottile pellicola isolante. Per aumentare l'induttanza si usa spesso realizzare l'avvolgimento su un nucleo di materiale con elevata permeabilità magnetica come ad esempio le ferriti.
Piccoli induttori usati per frequenze molto alte sono talvolta realizzati con un semplice filo che attraversa un cilindro o una perlina (piccolo anello) di ferrite.
Naturalmente come tutti i componenti reali anche l'induttore è affetto da parassiti.
Il filo di rame ha una resistenza elettrica, particolarmente alle alte frequenze (effetto pelle), e tra le spire vicine vi è un accoppiamento capacitivo. Inoltre, vanno tenute presenti le perdite nel nucleo magnetico eventualmente introdotto. Questi ed altri fenomeni parassiti differenziano l'induttore reale dall'induttanza ideale.
Si possono realizzare bobine con nucleo a barra (rod-core) o su nucleo toroidale.
Una bobina percorsa da corrente genera un campo magnetico H pari a:

dove N = numero spire , I = Intensità corrente elettrica , l = lunghezza bobina
Dal campo magnetico si risale all'induzione magnetica B :

Dal rapporto dell'induzione e dal campo magnetico si ricava la permeabilità magnetica

per l'aria vale : (Henry/m)

Per i nuclei ferro magnetici µ é molto più alto. L'induttanza di un bobina é proporzionale al numero delle spire al quadrato e alla permeabilità magnetica µ del nucleo.

A = area nucleo e l = lunghezza nucleo

I costruttori di nuclei, a secondo del tipo di materiale usato, specificano il µ come permeabilità magnetica relativa a quella dell'aria.

Ad esempio il ferro-silicio µ > 5000, ferrite µ ± 2000 e permalloy ± 100.000

Nei nuclei toroidali poiché il flusso circola solo nel nucleo ( non aria -nucleo), il costruttore specifica un fattore Al definito come valore di induttanza equivalente ad un certo numero di spire avvolte su quel nucleo e pertanto:

Infatti pur non conoscendo le caratteristiche di un dato nucleo toroidale si può risalire ad Al avvolgendo una spira (o 10) e misurare quanto vale la sua induttanza in µH cosi si può applicare la formula per determinare le spire necessarie per avere una certa L (µH) voluta.