«La prova più convincente della trasformazione del calore in lavoro è derivata dai miei esperimenti con il motore elettromagnetico, una macchina composta da magneti e barre di ferro alimentata da una batteria elettrica.». - James Prescott Joule

La scienza dell'elettromagnetismo è uno dei campi di conoscenza più importanti. L'elettromagnetismo è fondamentale per le applicazioni pratiche nell'industria e per la nostra comprensione della struttura fisica dell'universo.

Potresti non averlo mai realizzato, ma senza l'elettromagnetismo non potremmo trasportare o generare elettricità. Semplicemente non sarebbe possibile. Non potremmo ottenere le enormi quantità di elettricità di cui abbiamo bisogno in tutto il paese e in ciascuna delle nostre case. Pensaci quando accendi la luce, accendi la caffettiera o guardi la TV.

D'altra parte, l'elettromagnetismo, questa curiosa sovrapposizione di elettricità e magnetismo, forma i legami dell'universo. Per questo non si può dire che qualcuno abbia "inventato" l'elettromagnetismo: è stato invece scoperto e calcolato per essere la forza che tiene insieme le diverse parti dell'atomo. Inoltre, è responsabile dei composti chimici ed è anche la forza che produce la luce.

L'elettromagnetismo, quindi, è presente ovunque. Tuttavia, in questo particolare articolo, analizzeremo il fenomeno noto come induzione elettromagnetica, ovvero la produzione di forza elettromotrice attraverso la presenza di un campo magnetico variabile.

Non preoccuparti se non ti è del tutto chiaro, perché in seguito faremo un piccolo ripasso della scienza per comprendere questo straordinario processo.

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In cosa consiste l’elettromagnetismo?

Iniziamo definendo a cosa si riferisce l'elettromagnetismo.

Comprendere l'elettromagnetismo è essenziale.

Iniziamo dal magnetismo

Sai già cos'è il magnetismo, vero? In natura troviamo alcuni materiali che sono magnetici, il che significa che esercitano una forza magnetica, mentre ci sono altri materiali che non lo sono. In questi materiali magnetici (quelli che rimangono magnetici oltre un campo magnetico esterno sono chiamati magneti permanenti o materiali ferromagnetici), gli elettroni isolati sono allineati, il che significa che esercitano una forza in una particolare direzione.

Nei materiali non magnetici, ciò non avviene allo stesso modo, poiché gli elettroni sono tutti accoppiati o completamente casuali.

Questi materiali ferromagnetici, come il ferro o il nichel, sono magnetici casualmente o perché sono stati in contatto con un campo magnetico. Anche se sembra un argomento strabiliante, non sono utili come gli elettromagneti, ad esempio, che possono essere accesi e spenti e sono molto più potenti.

E quei potenti magneti offrono molteplici possibilità.

E l’elettromagnetismo?

Dal canto loro, parlando di elettromagneti, si tratta di magneti alimentati da una corrente elettrica.

L'elettricità stessa ha una forza magnetica. E mentre è presente anche in un semplice filo di rame e in tutte le minuscole misurazioni della carica elettrica su ogni atomo e legame chimico, gli scienziati hanno scoperto diversi modi per rendere quella forza molto più forte.

In generale, gli elettromagneti utilizzano tipicamente bobine di filo e ogni bobina è avvolta attorno a un pezzo di metallo, che di solito è di ferro. Questo è ciò che è noto come un solenoide. Quando c'è una corrente elettrica che scorre attraverso questo filo, il campo magnetico prodotto è focalizzato sul nucleo magnetico, il pezzo di metallo al centro del solenoide. Questi elettromagneti sono super potenti e non appena la corrente elettrica viene interrotta, il solenoide smette di magnetizzarsi.

Pertanto, un elettromagnete è in realtà un magnete molto forte. Tuttavia, questa particolare combinazione di elettricità e magnetismo è incredibilmente utile. Una delle sue applicazioni più importanti è l'induzione elettromagnetica: la produzione di forza elettromotrice (o tensione indotta) attraverso il movimento di un campo magnetico.

Questi magneti producono elettricità. Capisci perché potrebbero essere utili?

Consulta la nostra guida su magnetismo ed elettromagnetismo per saperne di più!

Una breve storia sull'induzione elettromagnetica

Diagramma di un campo magnetico.

 

Per spiegare meglio il processo e l'importanza dell'induzione elettromagnetica, torniamo brevemente indietro nella sua storia. Torniamo ai primi esperimenti che lo videro nascere, nel lontano 1830.

A quel tempo avevamo già l'elettromagnete a ferro di cavallo, grazie all'invenzione di William Sturgeon, e già sapevamo che le correnti elettriche esercitano una forza magnetica propria, grazie alle scoperte di Ampere e Oersted.

Tuttavia, fu un uomo di nome Michael Faraday a scoprire i principi dell'induzione elettromagnetica, quando condusse un piccolo esperimento pubblicato nel 1831.

Michael Faraday

Michael Faraday è considerato uno degli scienziati più influenti della storia con il suo lavoro sul magnetismo, dove dimostra come questa forza possa influenzare i raggi luminosi, ad esempio. Tuttavia, il suo esperimento più importante fu quello che gli fece scoprire l'induzione elettromagnetica.

Faraday prese un anello di ferro e, usando due diversi pezzi di filo, avvolse le bobine attorno ai lati opposti. Quando passava una corrente elettrica attraverso uno dei pezzi di filo, si aspettava di vedere una sorta di carica elettrica o effetto sul secondo pezzo di filo.

Quindi, collegò questo secondo pezzo di filo a un galvanometro, una macchina che misura le cariche elettriche. In questo modo, quando accese e spense la batteria nel primo filo, il galvanometro mostrò  una carica elettrica. Questo, secondo Faraday, era dovuto al flusso magnetico che passava attraverso il centro dell'anello.

A titolo di chiarimento, si produsse una corrente elettrica solo quando cambiò il campo magnetico. Solo nei momenti in cui accese e spense la batteria vide un cambiamento nel galvanometro. Nelle altre occasioni, il galvanometro non riuscì a mostrare nulla.

Questo è il motivo per cui in un altro dei suoi esperimenti fece scivolare una barra magnetica dentro e fuori una bobina di filo. In questo caso, con il movimento, si osservò la stessa carica elettrica nel galvanometro.

Legge di Faraday ed equazione di Maxwell

Sebbene Faraday fu colui che svolse il lavoro pratico, i suoi risultati non furono accolti con molto entusiasmo, poiché non dimostrò le sue scoperte in termini matematici.

Fu James Clerk Maxwell che, trent'anni dopo, descrisse matematicamente ciò che Faraday aveva dimostrato. Le equazioni di Maxwell diedero nomi a queste leggi che descrivono ciò che accade nell'induzione elettromagnetica.

 

Gli elettromagneti producono grandi campi magnetici.

Come funziona l'induzione elettromagnetica?

Ma cosa scoprì esattamente Faraday?  L'importanza della sua scoperta sta nel fatto che i cambiamenti nei campi magnetici possono indurre correnti elettriche

Come sappiamo, le correnti elettriche hanno un campo magnetico. Questi sono proprio i solenoidi. Tuttavia, come fece Faraday, se fai interagire questo campo magnetico con un altro magnete, il potenziale o la tensione della corrente elettrica cambia.

Se muovi un magnete di questo tipo  dentro e fuori da una bobina, sentirai un po' di resistenza. Ma con questa resistenza si produce il flusso di corrente. Accelera il movimento del magnete e la corrente indotta aumenterà; rafforza il campo magnetico e vedrai che succede ancora la stessa cosa.

In questo modo, i magneti possono essere utilizzati per convertire l'energia cinetica in energia elettrica, poiché spostando il magnete, scorre la corrente. È proprio così che funzionano alcuni dispositivi come i generatori, che generano elettricità attraverso il movimento di un magnete in un campo magnetico.

Forse ora capisci perché fu una scoperta così importante.

Come utilizziamo l'induzione elettromagnetica?

Per chiarire ulteriormente questo fenomeno, diamo uno sguardo ad una delle principali tecnologie in cui viene messa in pratica l'induzione elettromagnetica.

Si tratta dei generatori elettrici, presenti in tutti gli ambiti della nostra vita, per quanto incredibile possa sembrare. Dalle centrali elettriche, in cui vengono bruciati i combustibili, per alimentare il campo magnetico, alle automobili e ai minuscoli motori in tutti i tipi di apparecchiature; i generatori elettrici sono presenti ovunque.

Generatori elettrici

I generatori elettrici funzionano producendo un campo magnetico in cui si muovono altre bobine magnetizzate.

Le automobili, ad esempio, utilizzano un generatore di corrente alternata (o alternatore) per assicurarsi che la batteria sia sempre carica. Con la corrente alternata, la corrente indotta si muove in direzioni alternate, da cui il nome

Immagina un campo magnetico in uno spazio chiuso. Al centro di questo spazio c'è una bobina di filo rotante attraverso la quale passa una corrente. Come puoi immaginare, ci sarà interazione e resistenza tra la bobina di filo (con un proprio campo magnetico) e il campo magnetico generale del generatore.

Quando un lato della bobina rotante si sposta verso l'alto, viene indotta una corrente positiva. Tornando indietro, accade il contrario. In questo modo avrai una corrente che cambia costantemente.

In un generatore di corrente continua, esiste un meccanismo che fa invertire i movimenti che avvengono nel campo magnetico, quindi non c'è alternanza.

Perché usare la corrente alternata?

La corrente alternata è molto più presente negli apparecchi elettrici, poiché è molto più facile da trasportare rispetto alla corrente continua e, inoltre, può aumentare la tensione con una piccola corrente.

Tuttavia, data questa alta tensione, sono necessari trasformatori affinché questa corrente sia utilizzabile.

 

Trasformatori elettrici, corrente continua, corrente alternata... Concetti chiave per comprendere l'induzione elettromagnetica.

Se vuoi saperne di più sui trasformatori... Perché non leggi il nostro articolo su questo argomento?

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Paola

Traduttrice, insegnante, chissà un giorno....scrittrice. Ma con un'infinita passione per le lingue straniere