Induzione elettromagnetica..aiuto

[BrunoValente]

Vorrei porre alla vostra attenzione il marchingegno rappresentato in figura, appositamente escogitato per esporre i miei dubbi e per chiedere chiarimenti su alcuni punti.

Mi scuso subito per la lungaggine, ma temendo di non riuscire ad esporre in modo chiaro non ho saputo fare di meglio.

I chiarimenti che gradirei ricevere sono concettuali, non sono interessato alle formule, che semmai verranno dopo, ma al funzionamento fisico del dispositivo, al chiarimenti di alcuni principi sull'induzione elettromagnetica.

Si tratta dunque di un dispositivo elettromeccanico somigliante in parte ad un motore, rappresentato in figura nelle due sezioni longitudinale e trasversale.

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Per chiarezza arriverò per gradi ad esporre i miei dubbi.

Le parti in blu del disegno costituiscono un nucleo ferromagnetico fisso interessato da un campo magnetico generato in questa prima disposizione dalla corrente continua che scorre nell'avvolgimento, fornita da un generatore di corrente.

Anche la parte in blu all'interno del cerchio verde è fatta dello stesso materiale ferromagnetico del nucleo, è fissa, solidale con esso tramite uno staffaggio non rappresentato in figura e ne costituisce quindi la sua continuazione all'interno del cerchio verde.

Il cerchio verde è la sezione trasversale di un cilindro fatto di materiale isolante non magnetico che può ruotare liberamente sul suo asse.

Sul cilindro è disposta solidalmente con esso una spira cortocircuitata, quella in rosso nelle due viste.

Idealmente le linee di forza del campo magnetico sono confinate all'interno del circuito magnetico e attraversano i due traferri dove trova spazio il cilindro verde e dove quindi la spira può ruotare insieme al cilindro tagliandole.

Immaginiamo ora di metter in rotazione il cilindro ad una certa velocità e di guardare cosa accade nell'istante in cui la spira attraversa la posizione verticale rappresentata in figura.

Direi che senza dubbio in serie alla spira sorgerebbe una f.e.m. indotta il cui valore dipenderebbe dalla velocità di rotazione, dalla intensità del campo, quindi da quella della corrente e dal numero di spire e dalle dimensioni geometriche del dispositivi, soprattutto dalla lunghezza dei due lati attivi della spira, dallo spessore e dalla superficie dei due traferri.

Questa f.e.m. indotta produrrebbe una corrente nella spira dipendente dalla sua resistenza e quindi un nuovo campo magnetico di reazione ortogonale al primo che a sua volta produrrebbe una coppia frenante di un certo valore facilmente calcolabile almeno nel caso ideale che stiamo analizzando..quindi fin’ora nessun dubbio.

Immaginiamo ora di sostituire il generatore di corrente continua con uno di corrente alternata sinusoidale ad una certa frequenza e di valore efficace pari al valore della precedente corrente continua.

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Come prima differenza potremo ora rilevare la presenza di una caduta di tensione che prima non c’era ai capi dell’avvolgimento per causa dell’induttanza che con la corrente continua non aveva effetto.

La prima questione è: il valore efficace della corrente indotta nella spira e quindi quello della coppia frenante sono uguali a prima? Io direi di sì.. ma già a questo punto avrei bisogno di un po’ di conforto.

Andiamo avanti: sul cilindro verde aggiungiamo una seconda spira ortogonale alla prima come in figura.

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Qui le cose si complicano perché quando la prima spira è disposta verticalmente, la seconda è interessata completamente dal campo magnetico alternato e genera quindi un campo magnetico di reazione uguale e opposto al primo, tale da annullarlo, come accade nei trasformatori con secondario in cortocircuito e senza dubbio, per conseguenza, la tensione ai capi dell’avvolgimento “primario” scende a zero o quasi se vogliamo tener conto del basso valore della resistenza della spira orizzontale.

Ora, come prima, facciamo ruotare il cilindro ad una certa velocità e cerchiamo di capire, e qui sono dolori, cosa capita quando le spire sono disposte l’una verticalmente e l’altra orizzontalmente come in figura.

In prima battuta mi sembrerebbe che nella spira verticale non si debba indurre alcuna f.e.m. perché, per quanto detto ora, nei traferri i due campi uguali e opposti si annullano o quasi..ma invece a pensarci bene mi sorgono i dubbi che ora cercherò di esporre.

Possiamo immaginare, sfruttando il principio della sovrapposizione degli effetti che i due campi, quello generato dalla corrente nell'avvolgimento primario e quello di reazione generato dalla corrente nella spira orizzontale, che sono uguali ed opposti, producano indipendentemente nella spira verticale due correnti indotte uguali ed opposte che si annullano..ma il punto è: come può il secondo campo, quello generato dalla spira orizzontale, indurre una corrente nella spira verticale visto che le due spire sono tra loro solidali e che quindi non c’è velocità relativa tra loro e che inoltre sono disposte ortogonalmente tra loro??

Insomma, vista così sembrerebbe che le cose vadano ancora come quando la seconda spira non c’era.. e qui chiedo aiuto.

[Candy]

La prima questione è: il valore efficace della corrente indotta nella spira e quindi quello della coppia frenante sono uguali a prima? Io direi di sì.. ma già a questo punto avrei bisogno di un po’ di conforto.

Vista l'ora tarda, spero di aver capito bene. Direi di no invece, alla tua affermazione, perché se la corrente efficace si è ridotta rispetto al primo ragionamento, si è ridotta anche l'intensità del campo magnetico. Per quanto riguarda la coppia il discorso si complica perché entra di mezzo anche la velocità di rotazione. Poi c'è una altro problema: mentre nel ragionamento iniziale avevi descritto sostanzialmente un freno, applicando una corrente alternata, hai invece ottenuto un motore, handicapato per la mancanza di campo magnetico rotante, ma sempre motore.

Andiamo avanti: sul cilindro verde aggiungiamo una seconda spira ortogonale alla prima come in figura.

Ma le due spire sono tra loro in corto come una gabbia di scoiattolo?

[EcoTan]

non c’è velocità relativa tra loro

Così a prima sensazione, nel riferimento del cilindro vediamo il ferro ruotare e queste variazioni di riluttanza possono indurre qualcosa. In effetti qualcosa di strano c'è, sarei perplesso a dire che il ferro ruotando trascina con sè le linee di forza per arrivare a f.e.m. di flusso tagliato.

[BrunoValente]

La prima questione è: il valore efficace della corrente indotta nella spira e quindi quello della coppia frenante sono uguali a prima? Io direi di sì.. ma già a questo punto avrei bisogno di un po’ di conforto.

Vista l'ora tarda, spero di aver capito bene. Direi di no invece, alla tua affermazione, perché se la corrente efficace si è ridotta rispetto al primo ragionamento, si è ridotta anche l'intensità del campo magnetico.

No, ho scritto il contrario di quello che dici: il valore efficace della corrente erogata del generatore di corrente alternata degli schemi 2 e 3 è uguale a quello della corrente erogata dal generatore di corrente continua dello schema 1

Ma le due spire sono tra loro in corto come una gabbia di scoiattolo?

Le due spire sono singolarmente in cortocircuito, se vuoi puoi anche pensarle collegate tra loro nei due punti dove si incrociano, sulle testate per intenderci, ma questo di sicuro è ininfluente perché i punti di incrocio sono equipotenziali.

[BrunoValente]

..In effetti qualcosa di strano c'è, sarei perplesso a dire che il ferro ruotando trascina con sè le linee di forza per arrivare a f.e.m. di flusso tagliato.

Dici bene: i fenomeni riguardanti i campi magnetici a me appaiono costellati di cose strane come questa..dipenderà certo dalle mie conoscenze limitate.

Ho però l'impressione che troppo spesso nell'insegnamento di questa branca così importante dell'elettrotecnica si passi con un po' troppa disinvoltura a sviolinare lavagne di formule relative ai soliti fatti, sempre gli stessi, senza mai uscire dal seminato, senza aver prima chiarito dettagli basilari dei fenomeni in questione, come i punti che ho evidenziato qui..spero di sbagliarmi.

[admin]

Ma il nucleo centrale in Ferro è fisso, in base a quanto indicato, quindi non c'è un trascinamento di linee di forza.
Se ho capito bene, qualcosa fa ruotare il cilindro con la sola spira con velocità angolare .
Quindi si ha la seguente situazione

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e, nella prima domanda, chiedi se la forza è la stessa in continua ed in alternata.
Allora io direi che se la pulsazione dell'alternata è abbastanza elevata rispetto alla pulsazione meccanica, la risposta ala prima domanda è sì, la forza è la stessa.

[angel99]

Già nel caso più semplice, spira singola e corrente continua, io la vedo in modo diverso. E ti pareva.

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Nei tratti A-B, C-D, la spira è sottoposta ad un costante da cui consegue una coppia resistente equivalente. Nei tratti B-C, D-A, la spira non vede nessuna variazione di flusso e la coppia resistente è nulla.

[BrunoValente]

Ciao admin, anzitutto grazie per il tuo gradito e autorevole intervento.
Quindi se capisco bene le linee di forza non verrebbero trascinate dalla spira in rotazione grazie al fatto che il ferro interno è fermo.
Questo sarebbe vero anche se il ferro interno al cilindro verde, oltre ad essere fermo, fosse anche esso di forma cilindrica, quindi con la superficie sempre equidistante dalla spira durante la rotazione?
..E sulla versione con due spire cosa pensi?

[BrunoValente]

Già nel caso più semplice, spira singola e corrente continua, io la vedo in modo diverso. E ti pareva.

Se ti stai riferendo a me direi di no, mi pare che la vediamo nello stesso modo, solo che io mi sono limitato ad osservare il funzionamento solo nell'intorno della posizione verticale

[angel99]

io mi sono limitato ad osservare il funzionamento solo nell'intorno della posizione verticale

Ok.

Questa f.e.m. indotta produrrebbe una corrente nella spira dipendente dalla sua resistenza

Questo è un punto importante. Mi sembrava stessimo valutando un caso ideale. Ergo spira con resistenza nulla. Se la spira non ha resistenza nulla le cose sono diverse. Puoi chiarire?