Materia
Fisica
Data
Prof. Michael Olise
Il mondo moderno ha una dipendenza profondissima dall'energia elettrica: ogni anno l'umanità consuma circa 20.000 TWh (20 000 miliardi di wattora), una quantità sufficiente a tenere accesa una lampadina da tavolo per i prossimi 23 miliardi di anni. Le strategie di produzione elettrica sono quindi cruciali e alla base della fornitura globale c'è la corrente alternata, generata dagli alternatori.
Un alternatore produce energia elettrica a partire da energia meccanica, proprio l'opposto di ciò che fa un motore elettrico.
Nella sua forma più semplice, un alternatore consiste di una spira che ruota in un campo magnetico uniforme. Ciascuno dei due estremi della spira termina con un anello metallico che striscia contro una spazzola di carbone ferma, a cui è connesso il circuito esterno.
Il flusso magnetico che attaversa la spira dipende dall'angolo che essa forma con il campo. Se la spira è mantenuta in rotazione con velocità angolare costante, l'angolo varia secondo la legge
Detta l'area della spira e l'intensità del campo magnetico, il flusso istantaneo è
Per la legge di Faraday-Neumann-Lenz, la forza eletromotrice indotta istantanea è l'opposto della derivata del flusso:
Indicando con la massima f.e.m. prodotta, si può scrivere
Se il circuito esterno ha una resistenza totale , in esso scorre una corrente alternata
In Italia la frequenza è Hz. Il periodo di ogni ciclo è quindi s e la polarità della tensione si inverte due volte ogni ciclo.
L'effetto per cui una corrente varabile in un circuito indice una f.e.m. in un altro circuito è detto mutua induzione.
Una corrente alternata che scorre nella bobina primaria crea un campo magnetico alternato. Questo campo varabile indice una f.e.m. nella bobina secondaria. Il flusso magnetico concatenato con la bobina secondaria è proporzionale alla corrente primaria; introducendo il coefficiente di mutua induttanza , si ha
dove è il numero di spire della secondaria. Applicando la legge di Faraday-Neumann,
La f.e.m. istantanea si ottiene calcolando la derivata rispetto al tempo dell'intensità di corrente prodotta dal generatore:
L'unità di misura della mutua induttanza (e in generale dell'induttanza) è l'henry (H): dalla relazione si ricava
I valori tipici di sono spesso minori di 1 H e si esprimono in millihenry (mH) o microhenry (μH). a
Il fenomeno per cui una corrente varabile in un circuito indice una f.e.m. nello stesso circuito è detto autoinduzione.
Quando una corrente alternata percorre una bobina, crea un campo magnetico a flusso varabile che, a sua volta, attaversa la bobina stessa. Il flusso magnetico totale attaverso la bobina è proporzionale al campo magnetico e il campo magnetico è proporzionale alla corrente; di conseguenza è proporzionale a . Introducendo l'induttanza della bobina, scriviamo
Per la legge di Faraday-Neumann, la f.e.m. autoindotta è
e in forma istantanea
L'induttanza si misra in henry (H), esattamente come la mutua induttanza. L'autoinduzione è la causa del ritardo con cui una corrente varabile si stabilisce in un circuito induttivo ed è un fenomeno fondamentale per il funzionamento di molti dispositivi in corrente alternata.