Nozioni di base sull’elettromagnetismo per ingegneri meccanici

L’elettromagnetismo — la relazione tra elettricità e magnetismo — è il principio alla base del funzionamento di motori elettrici, generatori e trasformatori. E anche se la maggior parte di noi non sta progettando motori (o generatori o trasformatori) da zero, è utile avere una comprensione di base dei concetti e delle leggi che guidano il loro funzionamento.,

Il fondamento dell’elettromagnetismo è esposto nelle equazioni di Maxwell — un insieme di quattro equazioni sviluppate da James Clerk Maxwell nei primi anni 1860. In questo articolo, vedremo la legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica, che costituisce la base di una delle equazioni di Maxwell. Vedremo anche la legge di Lenz, che tiene sotto controllo la legge di Faraday.,

la legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica

Michael Faraday scoprì la relazione tra campi magnetici e di energia elettrica (elettromagnetismo) nel 1830, e anche se Faraday fatto molti contributi allo studio dell’elettricità e del magnetismo, uno dei più importanti è la legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica, che recita:

Qualsiasi modifica all’intorno magnetico di una bobina di filo (conduttore) causa una tensione (emf) per essere indotta nella bobina. E se la bobina (circuito conduttore) è chiusa, la corrente scorrerà.,

La causa della variazione magnetica ambiente non importa — potrebbe essere causato da cambiare l’intensità del campo magnetico, spostando il magnete verso e lontano dalla bobina, spostando la bobina dentro e fuori il campo magnetico, o ruotando la bobina relativa al campo magnetico. Finché c’è moto relativo fra il campo magnetico e la bobina, una tensione sarà indotta.,

L’espressione matematica per la legge di induzione elettromagnetica di Faraday mostra che la tensione indotta è uguale al numero di giri nella bobina moltiplicato per il cambiamento basato sul tempo del flusso magnetico.,

ε = indotta emf (V)

N = numero di giri della bobina

Φ = flusso magnetico (Wb, V·s)

t = tempo (s)

si noti che il flusso magnetico (Φ) è il prodotto del campo magnetico (B) e l’area della bobina (A): φ = BA

la legge di Lenz

Il segno negativo (“-“) sul lato destro dell’equazione di cui sopra viene dalla legge di Lenz e indica che la fem indotta si verifica in direzione opposta al flusso magnetico.,

la legge di Lenz assicura che la legge di Faraday si attiene al principio che l’energia deve essere conservato, affermando che:

Quando emf (tensione) è generato da una variazione di flusso magnetico, la polarità della fem indotta genera una corrente il cui campo magnetico è in una direzione che si oppone al cambiamento che ha prodotto originale (il campo magnetico).

In altre parole, il campo magnetico indotto funziona sempre per mantenere costante il flusso magnetico., Se il flusso magnetico diminuiva, il campo magnetico creato dalla corrente indotta si aggiungeva ad esso. E se il flusso magnetico aumentasse, il campo magnetico creato dalla corrente indotta si sottrarrebbe da esso. In entrambi i casi, il flusso magnetico totale rimane costante.

Allo stesso modo, l’emf indotto si opporrà al cambiamento che lo ha creato. In altre parole, l’emf indotta (tensione) sarà in una direzione opposta alla tensione che l’ha creata. In un motore, ciò significa che l’emf indotto (comunemente indicato come emf posteriore) si oppone alla tensione di alimentazione.,

Alimentazione = 195 V

Back emf = -45 V

Net tensione nel circuito (V = IR) = 10 * 15 = 150 V

195 V + -45 V = 150 V

Back emf è direttamente correlata alla velocità del motore: quando la velocità del motore aumenta, così fa la back emf, e viceversa. Questo è il motivo per cui, ad esempio, le caratteristiche di coppia e velocità di un motore a corrente continua hanno una relazione inversa e lineare.

All’aumentare del carico (coppia) sul motore, il motore rallenta., Più lento è il motore gira, minore è la emf posteriore (opposta alla tensione di alimentazione) e minore è la tensione che il motore utilizza solo per superare questa emf posteriore. Pertanto, la tensione e la corrente attraverso il motore aumentano. Questa corrente aggiuntiva consente al motore di produrre la coppia extra di cui ha bisogno per riguadagnare la sua velocità con l’aumento del carico.

Schema elettrico ed esempio tratto dal New South Wales, Department of Education and Training, 2007.