La mia risposta a tutti questi quesiti è: cominciamo a conoscere l’induttore, capiamo di ciò che esso è capace, per ultimo compariamo con delle verifiche strumentali il primo dei quesiti che ci si pone in questo articolo in modo da dare seguito ai successivi, poiché semplicemente una matriosca, dunque annidati uno all’interno dell’altro.
Induttore e Crosstalk
[ Figura 1 ]
Iniziamo subito a dare una definizione di induttore: L’induttore (Figura 1) è un dispositivo formato da N spire avvolte in aria o su nucleo il cui scopo è quello di migliorare il coefficiente di autoinduzioni. L’autoinduzione è la proprietà che i circuiti elettrici hanno di opporsi alla variazione della corrente che li percorre. L’opposizione al variare della corrente si manifesta sotto forma di forza controelettromotrice (f.c.e.m) che si genera quando vi è una variazione della correte oppure del flusso, tutto dipende dal riferimento che si considera. Tale definizione a primo impatto potrebbe essere di difficile comprensione, analizzandola in maniera organica si comprenderà a pieno la fisica dell’induttore.
La legge di Biot-Savart afferma che un conduttore percorso da corrente genera un campo magnetico perpendicolare a tale conduttore, tramite tale legge è possibile calcolare il valore dell’induzione del campo magnetico in un punto dello spazio circostante al conduttore.
Non entro nel merito della trattazione matematico-fisica poiché la lettura si andrebbe ad appesantire oltremodo, ci basti sapere che con la legge di Biot-Savart riusciamo a calcolare, in un punto dello spazio circostante al conduttore percorso da corrente, il valore del campo magnetico. Tale valore di campo sarà semplicemente un’aliquota del campo totale che per essere ottenuto necessita di una somma vettoriale di tutti i contributi degli elementi di corrente, in altre parole bisogna integrare. Sperando di non avervi confuso ulteriormente, la legge di Ampère semplifica il concetto precedentemente esposto sfruttando la simmetria del problema e semplificando il problema matematico.
Schematizzazione dell’induttore di lunghezza l avente sezione S percorso da una corrente I
[ Figura 2 ]
Abbiamo finora considerato un conduttore rettilineo ma come noto l’induttore, fisicamente, è un avvolgimento di conduttore in aria o su nucleo. Consideriamo dunque la Figura 2, schematizzazione dell’induttore di lunghezza l avente sezione S percorso da una corrente I variabile, che andrà a generare un’induzione magnetico B, la cui diretta proporzionalità (non proprio del vettore B, poiché di grandezze vettoriali si parla, ma della componente perpendicolare alla superficie S) con la corrente andrà a generare il flusso di campo magnetico Φ, infine l’intensità del campo magnetico indicato con H (anche essa una grandezza vettoriale). Quando l’induttore è attraversato da corrente, nasce un capo magnetico, le linee di flusso visibili in Figura 2 stanno ad indicare la morfologia di tale campo, che andrà a concatenarsi con l’avvolgimento stesso. In condizioni di variazioni “lente” del flusso del campo magnetico, quest’ultimo sarà direttamente proporzionale con la corrente che lo attraversa a patto che il materiale con cui è realizzato l’avvolgimento ha un comportamento magnetico lineare. Un materiale magnetico viene definito lineare se la relazione fra il vettore di induzione magnetica B e il vettore dell’intensità magnetica H, ha proporzionalità diretta:
B = µ x H [1]
Tornando alla Figura 2 calcoliamo il flusso del campo magnetico Φ:
Φ(B) = L x I [2]
Dove come detto, Φ è il flusso del campo magnetico, I la correte che fluisce nell’avvolgimento e L il valore di induttanza o “coefficiente di autoinduttanza” già citato nella definizione iniziale di induttore.
Dunque il concetto che sta alla base è proprio questo: al variare della corrente si genererà un campo magnetico perpendicolare alla corrente che lo ha generato, tale campo magnetico concatenato genererà, per la legge di Faraday-Neumann, una corrente indotta nell’avvolgimento dovuta alla f.c.e.m (forza contro elettromotrice), tale corrente indotta si andrà ad opporre alla causa che l’ha generata ovvero il flusso magnetico concatenato (Legge di Lenz). Tale concetto può essere visto in maniera inversa, consideriamo, invece che la bobina percorsa da una corrente I variabile, un magnete permanete che viene inserito all’interno del nostro induttore, chiaramente avvolto in aria, fra le spire del nostro si andrà a generare una corrente indotta dovuta questa volta alla variazione del flusso magnetico causato dal continuo movimento del magnete permanente all’interno dell’induttore. Questa volta la causa che ha generato la corrente indotta è la variazione del campo magnetico, chiaramente tale corrente indotta è giustificata da una f.e.m (forza elettromotrice) indotta che la genera. Tale corrente causerà a sua volta un campo magnetico che andrà a generare una corrente autoindotta che a sua volta dipenderà da una f.c.e.m che si opporrà alla causa che l’ha generata: il campo magnetico. Ai capi della bobina si produce allora una f.e.m. che si oppone alla variazione della corrente: se, ad esempio, la corrente diminuisce in modulo, la f.e.m. prodotta tende a farla aumentare, se invece aumenta, tende a farla diminuire.
Tutto è relativo, dipende da quale riferimento si sta tenendo in considerazione, ma alla fine il fenomeno che ne scaturisce è uguale.
Giusto per dare forma matematica a ciò che è stato espresso in precedenza, la tensione ai capi del nostro induttore sarà uguale a:
f.e.m. = v(t) = - dΦ(B)/dt [3]
Sostituendo la 2 nella 3 otterremo:
v(t) = - Ldi(t)/dt [4]
Il segno meno deriva dalla legge di Lenz e per quanto detto, al diminuire della corrente la f.e.m aumenterà, viceversa all’aumentare della corrente permane il segno meno nella formula 4. Da quanto detto si può evincere che l’induttore si oppone a variazioni di corrente.
