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Induzione elettromagnetica

Quando il flusso magnetico attraverso una bobina cambia, nella bobina nasce una f.e.m.: ε = −N dΦ/dt (Faraday). Il segno meno è la legge di Lenz: la corrente indotta si oppone sempre alla variazione che l'ha creata. Un'asta che si muove in un campo dà la f.e.m. cinetica ε = Blv. Una corrente che cambia genera una f.e.m. nella propria bobina (autoinduzione, L) e in una bobina vicina (mutua induzione, M).

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Una bobina è collegata a un galvanometro. Un magnete a barra sta fermo lì vicino. L'ago resta a 0, perché non cambia niente.
  2. Spingi lentamente il magnete dentro la bobina. Più linee di campo attraversano la bobina, quindi il flusso aumenta. L'ago si muove. Quando il magnete si ferma, l'ago torna a 0.
  3. Spingi lo stesso magnete dentro in fretta. Il flusso cambia in meno tempo, quindi l'ago oscilla di più. Cambiamento più rapido significa f.e.m. più grande.
  4. Ora tira fuori il magnete. L'ago oscilla dall'altra parte. La faccia della bobina diventa un polo S e cerca di trattenere il magnete. Questa è la legge di Lenz.
  5. Metti una seconda bobina al posto del magnete e accendila. La sua corrente cresce, il suo flusso cresce e il nostro ago scatta. Questa è la mutua induzione.
  6. Gioco libero: fai scorrere il magnete, cambia il numero di spire e premi l'interruttore. Guarda il flusso che si illumina e il valore della f.e.m.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Perché non c'è corrente quando il magnete è dentro la bobina ma non si muove?

La f.e.m. richiede una variazione di flusso. Un magnete fermo dà un flusso costante, quindi dΦ/dt = 0 e ε = 0.

Funziona anche muovere la bobina invece del magnete?

Sì. Conta solo il movimento relativo; in entrambi i casi il flusso attraverso la bobina cambia.

Perché una spinta più veloce dà un'oscillazione più grande?

La stessa variazione di flusso avviene in meno tempo, quindi dΦ/dt e la f.e.m. sono maggiori.

Perché l'ago gira dall'altra parte quando il magnete esce?

Ora il flusso diminuisce invece di aumentare. La corrente indotta si inverte per cercare di mantenere alto il flusso.

Come può una bobina senza magnete far passare corrente in un'altra bobina?

Una corrente crea il proprio campo magnetico. Quando quella corrente cambia, cambia il suo flusso attraverso la seconda bobina, e questo induce una f.e.m. (mutua induzione).

Perché più spire danno più f.e.m.?

Ogni spira riceve la stessa f.e.m. e le spire sono in serie, quindi le f.e.m. si sommano: ε = N dΦ/dt.

Flusso magnetico: contare le linee di campo che attraversano una spira

Il flusso magnetico (Φ) dice quanto campo magnetico attraversa una superficie. Pensalo come il numero di linee di campo che passano dentro una spira.

Φ = B A cos θ. Qui B è il campo, A è l'area della spira e θ è l'angolo tra B e la normale (la retta che esce dritta dalla faccia della spira). Unità SI: weber (Wb); 1 Wb = 1 T m².

Il flusso è massimo quando la spira è rivolta verso il campo (θ = 0) ed è zero quando la spira è di taglio (θ = 90°).

Le leggi di Faraday sull'induzione

Michael Faraday e Joseph Henry scoprirono che un flusso che cambia produce una f.e.m. Un campo costante, per quanto forte, non produce niente.

Prima legge

Ogni volta che il flusso attraverso un circuito cambia, si induce una f.e.m. Se il circuito è chiuso, passa una corrente. Questo dura solo finché dura la variazione.

Seconda legge

Il valore della f.e.m. indotta è uguale alla rapidità di variazione del flusso: |ε| = N dΦ/dt per una bobina di N spire.

Puoi cambiare il flusso in tre modi: cambiare B (muovere un magnete), cambiare A (allungare o far scorrere una parte della spira) o cambiare θ (ruotare la spira).

F.e.m. indotta e corrente indotta

La f.e.m. compare anche in una bobina aperta. La corrente passa solo se il circuito è chiuso: I = ε / R.

La carica che circola dipende solo dalla variazione totale del flusso, non da quanto è veloce: q = N ΔΦ / R. Una spinta lenta e una veloce fanno passare la stessa carica; quella veloce la manda in un impulso più intenso e più breve.

F.e.m. cinetica

Un'asta di lunghezza l che scorre con velocità v in un campo B (tutti e tre ad angolo retto) spazza l'area l v ogni secondo. Quindi ε = B l v. Puoi vederla anche così: la forza magnetica qvB spinge gli elettroni liberi verso un'estremità dell'asta.

Correnti parassite

Un flusso che cambia in una piastra di metallo massiccio crea piccole correnti vorticose al suo interno, dette correnti parassite (o di Foucault). Scaldano il metallo e si oppongono al movimento. Si usano nei piani a induzione e nei freni dei treni; nei trasformatori si riducono usando lamierini sottili sovrapposti.

Legge di Lenz: in che verso scorre la corrente

Legge di Lenz: la corrente indotta scorre nel verso che si oppone alla variazione di flusso che l'ha causata. Per questo la legge di Faraday ha un segno meno: ε = −N dΦ/dt.

Polo N del magnete che si avvicina → la faccia vicina della bobina diventa N (lo respinge). Magnete che si allontana → la faccia vicina diventa S (lo trattiene).

La legge di Lenz è la conservazione dell'energia. Devi compiere lavoro contro questa forza opposta, e quel lavoro diventa energia elettrica. Se la corrente aiutasse la variazione, otterresti energia gratis, ed è impossibile.

Per un'asta dritta in movimento, usa la regola della mano destra: pollice = movimento, indice = campo, medio = corrente indotta.

Autoinduzione e autoinduttanza (L)

Quando la corrente in una bobina cambia, cambia anche il suo flusso, e nella stessa bobina compare una f.e.m. Questa è l'autoinduzione. Questa f.e.m. si oppone alla variazione di corrente, quindi si chiama forza controelettromotrice.

N Φ = L I e ε = −L dI/dt. L è l'autoinduttanza; unità henry (H). 1 H = 1 V s/A.

Per un solenoide lungo: L = μ₀ n² A l = μ₀ N² A / l. Mettere un nucleo di ferro all'interno moltiplica L per μᵣ.

Un induttore si comporta come l'inerzia per la corrente. Energia immagazzinata nel suo campo magnetico: U = ½ L I².

Mutua induzione e mutua induttanza (M)

Quando la corrente nella bobina 1 cambia, cambia il flusso attraverso una bobina 2 vicina, e nella bobina 2 compare una f.e.m. Questa è la mutua induzione.

N₂ Φ₂ = M I₁ e ε₂ = −M dI₁/dt. Per due solenoidi lunghi coassiali (raggio interno r₁, lunghezza l): M = μ₀ n₁ n₂ π r₁² l. Inoltre M₁₂ = M₂₁.

M è maggiore quando le bobine sono vicine, avvolte sullo stesso nucleo di ferro e con lo stesso asse. I trasformatori e i caricatori wireless usano la mutua induzione.

Prova tu: un esperimento pratico

Prova tu: nel 3D imposta Spire N = 4 e trascina dentro il magnete; guarda l'"ultimo scatto". Ora imposta N = 16 e trascina alla stessa velocità. Lo scatto è circa 4 volte più grande, perché ε = −N dΦ/dt. A casa: un piccolo altoparlante o un motorino giocattolo collegato a un LED può accendere il LED se fai girare l'albero del motorino molto in fretta. Stai usando un generatore.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Una spira di area 0.02 m² si trova in un campo di 0.5 T. Trova il flusso quando (a) il campo è lungo la normale, (b) a 60° dalla normale.

(a) Φ = BA cos 0 = 0.5 × 0.02 × 1 = 0.01 Wb. (b) Φ = 0.5 × 0.02 × cos 60° = 0.01 × 0.5 = 0.005 Wb.

2. Il flusso attraverso una bobina di 200 spire scende da 4 mWb a 1 mWb in 0.1 s. Trova la f.e.m. indotta media.

ΔΦ = 1 − 4 = −3 mWb = −3 × 10⁻³ Wb. ε = −N ΔΦ/Δt = −200 × (−3 × 10⁻³)/0.1 = 6 V.

3. Un'asta di 0.5 m si muove a 4 m/s ad angolo retto con un campo di 0.3 T. L'asta fa parte di un circuito di resistenza 2 Ω. Trova la f.e.m. e la corrente.

ε = B l v = 0.3 × 0.5 × 4 = 0.6 V. I = ε / R = 0.6 / 2 = 0.3 A.

4. La corrente in una bobina con L = 50 mH scende da 5 A a 0 in 10 ms. Trova la f.e.m. autoindotta.

ε = −L dI/dt = −0.05 × (0 − 5)/0.01 = +25 V. La f.e.m. cerca di mantenere la corrente (si oppone alla diminuzione).

5. Trova L di un solenoide senza nucleo con 500 spire, lunghezza 0.5 m e area 4 × 10⁻⁴ m². (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)

L = μ₀ N² A / l = 4π × 10⁻⁷ × 250000 × 4 × 10⁻⁴ / 0.5 = 4π × 10⁻⁷ × 200 ≈ 2.51 × 10⁻⁴ H ≈ 0.25 mH.

6. Due bobine hanno M = 1.5 H. La corrente nella prima sale da 0 a 20 A in 0.5 s. Trova la f.e.m. nella seconda bobina e la variazione di flusso attraverso di essa.

ε₂ = M dI₁/dt = 1.5 × 20 / 0.5 = 60 V. Variazione del flusso concatenato = M ΔI₁ = 1.5 × 20 = 30 Wb (spire).

7. Un'asta di metallo di 1 m ruota a 20 rad/s attorno a un'estremità in un campo di 0.2 T lungo il suo asse di rotazione. Trova la f.e.m. tra le sue estremità.

ε = ½ B ω l² = 0.5 × 0.2 × 20 × 1² = 2 V.

8. In una bobina di 100 spire e resistenza 5 Ω il flusso varia di 2 × 10⁻³ Wb. Quanta carica circola?

q = N ΔΦ / R = 100 × 2 × 10⁻³ / 5 = 0.04 C. Non dipende da quanto è rapida la variazione.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. L'unità SI del flusso magnetico è:
2. La f.e.m. indotta in una bobina dipende da:
3. La legge di Lenz deriva dalla conservazione di:
4. Un'asta di lunghezza l si muove con velocità v perpendicolare al campo B. La f.e.m. è:
5. L'unità henry è uguale a:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Che cos'è l'induzione elettromagnetica in parole semplici?

È produrre elettricità con un campo magnetico che cambia. Se il campo magnetico attraverso una bobina cambia, nella bobina compare una tensione.

Qual è la differenza tra autoinduzione e mutua induzione?

Nell'autoinduzione la corrente che cambia crea una f.e.m. nella stessa bobina. Nella mutua induzione la crea in una bobina vicina.

Perché c'è un segno meno nella legge di Faraday?

Il segno meno è la legge di Lenz. Mostra che la f.e.m. indotta si oppone alla variazione del flusso.

Dove si studia

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIMagnetism
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USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Magnetism and Electromagnetism
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South Korea고등학교 3학년Matter and electromagnetic fields
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