La Legge di Lenz
Formulata nel 1834 dal fisico Heinrich Lenz, la Legge di Lenz rappresenta un principio fondamentale dell’elettromagnetismo, strettamente collegato alla Legge di Induzione Elettromagnetica di Faraday. Questa legge descrive la direzione della forza elettromotrice (FEM) indotta e la corrente risultante in un conduttore esposto a un campo magnetico variabile. Secondo la Legge di Lenz, la FEM indotta genera una corrente che scorre in una direzione tale da opporsi al cambiamento del flusso magnetico che l’ha causata. Tale opposizione si verifica a causa del principio di conservazione dell’energia, che cerca di mantenere l’equilibrio energetico nel sistema. In termini più semplici, la Legge di Lenz ci dice che quando un campo magnetico attraverso un circuito chiuso aumenta, la corrente indotta scorre in una direzione che crea un campo magnetico contrario all’aumento. Al contrario, quando il campo magnetico diminuisce, la corrente indotta scorre in una direzione che crea un campo magnetico a sostegno della diminuzione. Il segno negativo nella Legge di Faraday (FEM = -dΦB/dt) rappresenta la Legge di Lenz, indicando che la FEM indotta e la corrente risultante si oppongono al cambiamento del flusso magnetico.
Applicazioni dell’Induzione Elettromagnetica
L’induzione elettromagnetica ha numerose applicazioni in vari campi della tecnologia e dell’industria, tra cui:
- Generatori Elettrici: Questi dispositivi convertono l’energia meccanica in energia elettrica ruotando una bobina di filo all’interno di un campo magnetico. Il cambiamento del flusso magnetico attraverso la bobina induce una FEM e genera una corrente elettrica.
- Trasformatori: Utilizzati per cambiare i livelli di tensione e corrente nei circuiti in corrente alternata (CA). Consistono di due bobine di filo (primaria e secondaria) avvolte attorno a un nucleo magnetico comune. Una corrente CA nella bobina primaria genera un campo magnetico variabile, che a sua volta induce una tensione nella bobina secondaria in base al rapporto tra i giri delle bobine.
- Motori ad Induzione: Ampio impiego in industria ed elettrodomestici. Funzionano inducendo una corrente nel rotore, che interagisce con il campo magnetico dello statore per produrre coppia. Il rotore non è direttamente connesso a una fonte di alimentazione, rendendo i motori ad induzione più affidabili e a bassa manutenzione rispetto ad altri tipi di motori elettrici.
- Ricarica Induttiva: Questa tecnologia utilizza l’induzione elettromagnetica per trasferire energia senza fili tra due bobine, una nella stazione di ricarica e l’altra nel dispositivo in carica (ad esempio, smartphone o veicoli elettrici). La stazione di ricarica genera un campo magnetico alternato, che induce una corrente nella bobina del dispositivo, caricando così la batteria.
- Sensori Induttivi: I sensori di prossimità induttivi rilevano la presenza di oggetti metallici senza contatto fisico utilizzando l’induzione elettromagnetica. Quando un oggetto metallico si avvicina alla bobina del sensore, disturba il campo magnetico e altera l’induttanza della bobina, attivando il sensore.
- Cottura ad Induzione: I piani cottura ad induzione utilizzano l’induzione elettromagnetica per riscaldare direttamente le pentole, rendendoli più efficienti dal punto di vista energetico e reattivi rispetto ai tradizionali piani cottura elettrici o a gas. Una corrente alternata scorre attraverso una bobina sotto la superficie del piano cottura, creando un campo magnetico rapidamente variabile. Questo campo magnetico induce correnti parassite nelle pentole magnetiche poste sul piano cottura, generando calore all’interno delle stesse, piuttosto che riscaldare la superficie del piano cottura e poi trasferire il calore alle pentole.
- Rilevatori di Metalli: I rilevatori di metalli utilizzano l’induzione elettromagnetica per identificare la presenza di oggetti metallici. Una bobina trasmettitrice genera un campo magnetico alternato, che induce correnti parassite negli oggetti metallici vicini. Queste correnti, a loro volta, creano il proprio campo magnetico, rilevato da una bobina ricevente nel rilevatore di metalli.
- Treni a Levitazione Magnetica (Maglev): I treni Maglev utilizzano l’induzione elettromagnetica per levitare sopra i binari, riducendo l’attrito e consentendo velocità più elevate. Il lato inferiore del treno è dotato di potenti elettromagneti che interagiscono con la guida, inducendo correnti che generano un campo magnetico. Questo campo magnetico respinge il treno dalla guida, consentendogli di levitare e muoversi in avanti.
- Trasmissione di Energia Senza Fili: L’induzione elettromagnetica può essere utilizzata per trasmettere energia senza fili su brevi distanze, come alimentare dispositivi impiantati nel corpo umano o fornire energia a sensori remoti.
- Raccolta di Energia: Alcuni dispositivi possono catturare energia ambientale, come vibrazioni o movimenti oscillatori, e convertirla in energia elettrica attraverso l’induzione elettromagnetica. Questa energia può essere utilizzata per alimentare elettronica a basso consumo o ricaricare batterie.
Esempio Semplice
Immaginiamo un semplice setup sperimentale dove abbiamo un solenoide (una bobina di filo) connesso a un galvanometro (un strumento sensibile usato per misurare piccole correnti elettriche). Il solenoide non è connesso a nessuna fonte di energia esterna. Ora, prendiamo un magnete a barra e lo muoviamo rapidamente verso il solenoide con il polo nord rivolto verso la bobina. Man mano che il magnete si avvicina, il campo magnetico all’interno del solenoide cambia. Secondo la Legge di Induzione Elettromagnetica di Faraday, questo cambiamento nel flusso magnetico induce una FEM nel solenoide, generando una corrente elettrica. Il galvanometro connesso al solenoide mostrerà una deviazione, indicando la presenza di una corrente indotta. La direzione della corrente indotta, come per la Legge di Lenz, sarà tale da opporsi al cambiamento nel flusso magnetico. In questo caso, la corrente scorre in una direzione che crea un campo magnetico all’interno del solenoide che si oppone al campo del magnete. Quando si smette di muovere il magnete, il galvanometro torna a zero, indicando che non scorre corrente attraverso il solenoide. Se ora si allontana il magnete dal solenoide, il galvanometro mostrerà nuovamente una deviazione, ma nella direzione opposta. Ciò accade perché la corrente indotta ora scorre in una direzione che sostiene il cambiamento nel flusso magnetico, poiché il campo del magnete sta diminuendo all’interno del solenoide. Questo semplice esempio dimostra come un campo magnetico variabile possa indurre una corrente elettrica in un conduttore.
