La scienza alla base degli elettromagneti: induzione e bobine

Tutti usano quotidianamente un’ampia gamma di tecnologie, ma potremmo non sapere esattamente come funzionano davvero i dispositivi. Diciamoci la verità... Pochissime persone si fermano davvero a chiedersi come si avvia la propria auto, come si aziona un’elettrovalvola o persino come un motore industriale genera movimento.

In questo articolo parleremo dell’induzione elettromagnetica, che combina una corrente elettrica, un campo magnetico e forse persino un po’ di misteriosa magia per trasformare speranze e sogni in movimento fisico.

 

L’esperimento di Faraday

È molto probabile che ogni giorno utilizziate qualche tipo di tecnologia basata sull’induzione elettromagnetica. Viene impiegata nella maggior parte dei sistemi di controllo elettromeccanici, dai sensori ai motori a induzione, fino ai trasformatori. Dopo l’invenzione dell’elettromagnete nel 1825, l’induzione elettromagnetica fu scoperta nel 1831 dallo sperimentatore Michael Faraday.

L’esperimento di Faraday, noto come anello di Faraday, utilizzava un anello di ferro con due fili avvolti sui lati opposti dell’anello. Quando Faraday introduceva una corrente in uno dei fili, un’“onda” attraversava l’anello e induceva un effetto elettrico “opposto” nel filo sull’altro lato. Questo esperimento prendeva il concetto di elettromagnete e lo estendeva di un ulteriore passaggio, utilizzando il campo magnetico per produrre corrente.

 

Figura 1. Nell’esperimento di Faraday, un campo magnetico veniva creato e fatto collassare per produrre una corrente nella bobina opposta. Immagine utilizzata per gentile concessione di InverseHypercube su Wikimedia

 

Creazione del campo elettromagnetico

Che cos’è dunque un campo magnetico, come viene creato e perché è essenziale per l’induzione elettromagnetica?

In termini semplici, un campo magnetico è definito come la regione circostante una particella carica, nella quale essa subisce una forza dovuta al magnetismo. I campi magnetici vengono creati dal passaggio di corrente attraverso un conduttore; in questo esperimento, si manifesta quando un interruttore viene attivato per consentire alla corrente di fluire attraverso una bobina.

Il campo magnetico risultante si manifesta sotto forma di forze caratterizzate sia da un’intensità sia da una direzione, ma viene considerato statico perché rimane costante nel tempo; per maggiori informazioni sui campi magnetici utilizzati nei sensori, consultate questo interessante articolo di Control.com.

 

Figura 2. Le linee di campo di un elettromagnete statico creato da una bobina di filo. Immagine utilizzata per gentile concessione di Adobe Stock

 

Induzione elettromagnetica

Per chi ama le definizioni, l’induzione elettromagnetica crea una forza elettromotrice (EMF) quando il campo magnetico si muove attorno a un conduttore. Può sembrare confuso, ma l’induzione elettromagnetica è considerata un processo complementare al campo magnetico, sebbene sia più dinamico anziché statico.

Se è possibile utilizzare una corrente elettrica per generare un campo magnetico, dovrebbe essere possibile produrre una corrente elettrica da un campo magnetico in movimento. Per ottenere questo risultato, il campo magnetico deve cambiare nel tempo muovendosi, aumentando di dimensioni o contraendosi. Nell’esperimento di Faraday, egli utilizzò un interruttore che si apriva e si chiudeva, facendo espandere e collassare il campo magnetico: è così che il suo galvanometro poteva rilevare i cambiamenti di corrente.

 

Creazione della EMF

La domanda successiva è: “come possiamo generare movimento con l’induzione elettromagnetica?”

Utilizzeremo come esempio un semplice motore a induzione. Applicando la corrente alternata, eseguiamo lo stesso processo dell’esperimento di Faraday. La corrente alternata creerà un campo magnetico che modifica la polarità di ciascuna bobina a intervalli regolari, con una frequenza uniforme. Questo genera campi magnetici di diversa intensità, creando infine una forza magnetica tangenziale all’aumento e alla diminuzione dell’intensità dei campi magnetici.

Quando viene abbinato a un rotore contenente magneti permanenti, come una gabbia di scoiattolo, si crea un movimento rotatorio. Anche i rotori magnetici ferromagnetici non permanenti (chiamati rotori a induzione) saranno influenzati dall’induzione delle bobine, ma i rotori a magneti permanenti sono spesso più vantaggiosi nelle applicazioni a velocità variabile.

 

Figura 3. Una gabbia di scoiattolo viene azionata da un campo magnetico variabile creato dalle bobine mediante corrente alternata. Immagine utilizzata per gentile concessione di Ikaxer su Wikimedia

 

Sensori induttivi

I sensori di prossimità induttivi funzionano allo stesso modo. Ogni sensore dispone di piccole bobine vicino al lato di rilevamento, che creano un campo elettromagnetico. Quando un materiale conduttivo entra in quest’area, crea una resistenza all’interno del campo magnetico. Questa resistenza viene rilevata da un oscillatore interno, che attiva un circuito interno quando viene raggiunta una determinata soglia, creando un segnale per le applicazioni automatizzate.

 

Figura 4. Un sensore utilizza un campo magnetico statico creato da una bobina di filo. Immagine utilizzata per gentile concessione di Balluff

 

L’induzione elettromagnetica è un principio fondamentale che trasforma l’energia elettrica in movimento fisico, essenziale in diverse tecnologie come motori, sensori, solenoidi, generatori, motorini di avviamento e molti altri dispositivi. Consiste nella creazione di una forza elettromotrice (EMF) mediante il movimento di un campo magnetico attorno a un conduttore.

Questo processo dinamico è essenziale per dispositivi come i motori a induzione, nei quali la corrente alternata produce campi magnetici variabili, generando un movimento rotatorio e consentendo ai sensori di rilevare i materiali conduttivi misurando le perturbazioni del campo magnetico. È una tecnologia molto semplice, che continuerà a essere utilizzata finché verranno impiegati dispositivi elettromeccanici.