Induttanza | Definizione, tipi e applicazione

Induttanza: Proprietà Fondamentale dei Conduttori Elettrici

L’induttanza è una proprietà essenziale dei conduttori elettrici, che quantifica la loro capacità di immagazzinare energia in un campo magnetico quando attraversati da una corrente elettrica. Rappresentata dal simbolo “L”, l’induttanza si misura in unità chiamate henry (H). Quando una corrente scorre attraverso un conduttore, genera un campo magnetico intorno ad esso. Se la corrente cambia, anche il campo magnetico cambia, inducendo una forza elettromotrice (FEM) o tensione attraverso il conduttore, che si oppone al cambiamento della corrente. Questo fenomeno è noto come induzione elettromagnetica ed è alla base del concetto di induttanza.

Tipi di Induttanza: Autoinduttanza e Induttanza Mutua

Autoinduttanza: L’autoinduttanza è l’induttanza di un singolo conduttore o bobina, dove il campo magnetico variabile generato dalla corrente che scorre attraverso il conduttore induce una tensione attraverso il conduttore stesso. Questa tensione, nota come FEM autoindotta, si oppone a qualsiasi cambiamento nella corrente. L’autoinduttanza di una bobina è principalmente determinata dalla sua forma, dimensione, numero di spire e dal materiale del nucleo (se presente) attorno al quale la bobina è avvolta.

Induttanza Mutua: L’induttanza mutua si verifica quando due o più conduttori o bobine sono posti in prossimità, e il campo magnetico variabile generato dalla corrente che scorre attraverso un conduttore induce una tensione attraverso gli altri conduttori. Questa tensione, nota come FEM indotta mutualmente, dipende dall’orientamento relativo e dalla distanza tra i conduttori e dalle loro induttanze individuali.

Applicazioni dell’Induttanza

L’induttanza gioca un ruolo cruciale in varie applicazioni elettriche ed elettroniche, inclusi:

• Induttori: Componenti elettronici passivi specificamente progettati per avere una certa quantità di induttanza. Sono tipicamente costruiti come bobine di filo avvolte attorno a un nucleo di aria, ferrite o altri materiali magnetici.
• Trasformatori: Dispositivi che utilizzano il principio dell’induzione elettromagnetica e dell’induttanza mutua per trasferire energia elettrica tra due o più bobine a diversi livelli di tensione, fornendo anche isolamento elettrico.
• Memorizzazione dell’energia: Gli induttori possono immagazzinare energia nel loro campo magnetico quando una corrente vi scorre attraverso. Questa capacità di memorizzazione è essenziale in vari circuiti elettronici.
• Oscillatori e circuiti risonanti: Induttanza, in combinazione con la capacità, costituisce la base degli oscillatori e dei circuiti risonanti.
• Compatibilità elettromagnetica (EMC): L’induttanza svolge un ruolo critico nella gestione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e nella garanzia della compatibilità elettromagnetica (EMC) nei sistemi elettronici.

Henri – Unità di Misura dell’Induttanza

L’henry (simbolo: H) è l’unità SI di induttanza, intitolata in onore dello scienziato americano Joseph Henry. Un henry è definito come l’induttanza di un conduttore o un circuito in cui viene indotta una forza elettromotrice (FEM) di un volt quando la corrente attraverso il conduttore cambia ad un tasso di un ampere al secondo (1 A/s). Matematicamente, ciò può essere espresso come:

1 H = 1 V·s/A

In applicazioni pratiche, l’henry è spesso una unità relativamente grande, quindi vengono frequentemente utilizzate unità più piccole come il millihenry (mH) e il microhenry (µH).

Esempi di Induttori

Ecco tre esempi di induttori con diversi valori di induttanza:

• Induttore per segnali deboli: tipicamente usato in circuiti elettronici a bassa potenza come filtri e processori di segnale.
• Induttore di potenza: comunemente trovato in circuiti di alimentazione e convertitori DC-DC.
• Induttore ad alta frequenza: progettato per applicazioni ad alta frequenza come circuiti RF e sistemi di comunicazione.

Calcolo dell’Induttanza

Per calcolare l’induttanza di un conduttore, come una bobina, si può utilizzare la seguente formula:

L = (N² * μ * A) / l

dove:

• L = Induttanza (in henry, H)
• N = Numero di spire nella bobina
• μ = Permeabilità del materiale del nucleo (in henry per metro, H/m)
• A = Area della sezione trasversale del nucleo (in metri quadrati, m²)
• l = Lunghezza della bobina (in metri, m)

La formula fornita si applica principalmente a induttori a forma di solenoide con un’area trasversale uniforme e spire equidistanti. Per altre geometrie, il calcolo può essere più complesso e potrebbe richiedere formule specializzate o metodi numerici.

Induttanza nei Circuiti RL e RLC

L’induttanza svolge un ruolo cruciale nei circuiti RL (resistore-induttore) e RLC (resistore-induttore-condensatore). In entrambi i tipi di circuito, la presenza di un induttore introduce un comportamento dipendente dal tempo nella risposta del circuito a causa della proprietà dell’induttore di opporsi ai cambiamenti nel flusso di corrente.

• Circuiti RL: L’induttore (L) e il resistore (R) sono connessi in serie o parallelo. Il comportamento del circuito RL dipende dalla costante di tempo, τ (tau).
• Circuiti RLC: Un resistore (R), un induttore (L) e un condensatore (C) sono connessi in serie o parallelo. Il circuito può esibire comportamenti più complessi, inclusa la risonanza, a seconda dei valori dei componenti e della frequenza del segnale in ingresso.

Analizzare questi circuiti tipicamente coinvolge la risoluzione di equazioni differenziali o l’utilizzo dell’analisi fasoriale nel dominio della frequenza.