Legge di Faraday-Neumann-Lenz
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La legge di Faraday-Neumann-Lenz o 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 oppure un circuito in movimento in un campo magnetico costante. È alla base del funzionamento di alternatore, dinamo e trasformatore.
Tale legge deriva dall'unione di diversi principi. La legge di Faraday, elaborata da Michael Faraday a partire dal 1831, afferma che la corrente elettrica indotta in un circuito chiuso da un campo magnetico è proporzionale alla variazione del flusso di tale campo che attraversa l'area abbracciata dal circuito nell'unità di tempo.
Se E è il campo elettrico indotto, ds è un elemento infinitesimo del circuito e dΦB/dt è la variazione di flusso magnetico, si può esprimere in forma differenziale in funzione del campo magnetico B:
Poiché:
si ha che la legge, espressa matematicamente nella forma elaborata da Franz Ernst Neumann nel 1845 in termini di forza elettromotrice, è:
La legge di Faraday-Lenz enuncia che la forza elettromotrice indotta in un circuito è uguale in modulo alla variazione del flusso magnetico concatenato con il circuito, ma si oppone alla variazione dello stesso, in modo da poter ritenere ancora valido il principio di conservazione dell'Energia. È importante notare come un campo magnetico costante non dia origine al fenomeno dell'induzione. 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, consumando energia meccanica. Per lo stesso motivo un trasformatore può funzionare solamente in corrente alternata. La legge è di natura relativistica, poiché il suo effetto è legato al movimento relativo del circuito rispetto al campo magnetico.
Il fenomeno è perfettamente coerente se riferito a circuiti non deformabili, in modo tale che la variazione di flusso sia unicamente legata alla variazione temporale del campo magnetico stesso. Nel caso vi sia un movimento relativo fra circuito e flusso è possibile sia un approccio con la legge di Faraday-Neumann Lenz introducendo il concetto di fluido "spazzato", oppure risulta più immediato un approccio tramite la circuitazione indotta dalla forza di Lorentz dovuta alle cariche del circuito in moto all'interno di un campo magnetico. Si può dimostrare infatti che il primo approccio è una conseguenza diretta della forza di Lorentz.
Se il campo magnetico concatenato è in diminuzione, il campo magnetico generato dalla corrente indotta ha il medesimo verso del campo originario (si oppone alla diminuzione), se, al contrario, il campo magnetico concatenato sta crescendo, il campo magnetico generato ha verso opposto all'originario (si oppone cioè all'aumento).
Questo in ultima analisi asseconda il principio di conservazione dell'energia. Se il circuito è aperto, non si ha flusso di corrente e non si ha dissipazione di energia per effetto Joule. Per lo stesso motivo non si ha una forza di reazione alla variazione di campo magnetico ed il movimento del magnete o del circuito non compie lavoro (forza nulla X spostamento = zero). Se invece si ha una circolazione di corrente nel circuito con dissipazione di energia, la variazione di campo magnetico subirà una resistenza e richiede di compiere un lavoro per attuarsi. In base a questo principio un generatore consuma tanta energia meccanica quant'è l'energia elettrica in uscita (trascurando le perdite per attrito ed effetto Joule).
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