Elettrodinamica 2 21 ottobre 2014 Autoinduzione Dimensioni e unità dell’autoinduttanza Fem autoindotta Induzione mutua Circuito LR Energia magnetica Energia magnetica di due circuiti accoppiati Circuito LC Rocchetto di Ruhmkorff Autoinduzione • Un circuito percorso da corrente genera un campo B • Il flusso di B concatenato al circuito è B | S B dA S • B può essere calcolato usando la prima formula di Laplace 0 dl r B 4 i r3 • B è proporzionale alla corrente, ne segue che anche il flusso lo è 2 Autoinduttanza. Dimensioni, unità di misura • Il coefficiente di proporzionalità è detto autoinduttanza del circuito Li • Dipende soltanto da fattori geometrici, come la capacità elettrica • Le dimensioni sono L i • L’unità di misura è lo henry (H) Wb Tm 2 H A A 3 Autoinduttanza di un solenoide • Il campo B dentro un solenoide di N spire, sezione A e lunghezza l è N B 0 ni 0 i l • Il flusso di B concatenato con le N spire è NBA nlBA 0 n 2 Ali • L’autoinduttanza è L 0 n 2 Al i 4 Fem autoindotta • In un circuito, se varia la corrente, varia il flusso di B e quindi viene indotta una fem • In un circuito indeformabile l’autoinduttanza è costante, la legge di Faraday si scrive d d ( Li ) di E L dt dt dt • Nel caso generale si avrebbe E d d ( Li ) dL di iL dt dt dt dt 5 Induzione mutua • Se due circuiti C1 e C2 sono vicini, il flusso magnetico attraverso uno dipende anche dal campo B, e quindi dalla corrente, dell’altro 0 dl 2 r 12 B2 | S1 B2 dA1 B2 i2 3 4 r S1 C1 C2 • Di nuovo il flusso è proporzionale alla corrente 12 M 21i2 • Ove M21 il coefficiente di induzione del circuito 2 sul circuito 1 6 Induzione mutua • A questo termine si aggiunge naturalmente quello di autoinduzione, il flusso totale è quindi 1 L1i1 M 21i2 • Simmetricamente per il circuito 2 avremo 2 L2i2 M12i1 • Si può dimostrare che M12 M 21 • Il valore comune M è detto induttanza mutua • Dipende sia dalla forma di entrambi i circuiti che dalla loro distanza e disposizione relativa • Dimensioni e unità di misura sono le stesse di L 7 Fem indotte • Per trovare le fem indotte nei circuiti, applichiamo la legge di Faraday • Supposte le L e M costanti, abbiamo d 1 di1 di2 E1 L1 M dt dt dt d 2 di2 di1 E2 L2 M dt dt dt • Nel caso in cui le L e M variassero nel tempo, bisognerebbe aggiungere le derivate temporali dei termini corrispondenti 8 Circuito LR • Contiene un resistore R e un induttore L • Inizialmente il circuito è aperto e i=0 • Alla chiusura del circuito i è ancora zero, ma varia come di dt e nell’induttanza c’è una fem L di dt • Al tempo t circola una corrente i e ai capi di R c’è una caduta di potenziale iR • Per la 2a legge di Kirchhoff di Eb Ei iR Eb L iR 0 dt 9 Analisi qualitativa del circuito LR • Al tempo t=0, i=0 e la fem L di dt è uguale all’opposto della fem della batteria. Ne segue che i cresce come di Eb dt 0 L • Al crescere di i, cresce la caduta di potenziale sulla resistenza. Ne segue che i cresce come di Eb iR dt L L • Cioè più lentamente che per t=0 10 Analisi qualitativa del circuito LR • Il valore finale di i si ottiene uguagliando a zero Eb di dt e vale if R • L’equazione del circuito ha la stessa forma che per il circuito di carica di un condensatore • Si ottiene come soluzione Eb i 1 e t R L • Con R costante di tempo del circuito 11 Energia Magnetica • Partiamo dall’equazione del circuito LR e moltiplichiamo tutti i termini per la corrente di Ei i R Li dt 2 • Il primo membro rappresenta la potenza erogata dalla batteria • Il primo termine a secondo membro è la potenza dissipata nella resistenza • Il secondo termine rappresenta la rapidità con cui viene erogata energia all’induttore 12 Energia Magnetica • Possiamo dunque scrivere dU m di Li dt dt • La quantità totale di energia accumulata nell’induttore si trova integrando da i=0 a i=If If 1 2 U m dU m Lidi LI f 2 0 • Si deve dunque compiere lavoro per instaurare una corrente in un induttore 13 Energia Magnetica • Nell’istaurare una corrente in un induttore si genera un campo B • Il lavoro compiuto può quindi interpretarsi come il lavoro necessario per produrre il campo B • L’energia accumulata in un induttore è accumulata nel campo B • Nel caso particolare di un solenoide rettilineo B 0 ni L 0 n Al 2 14 Energia Magnetica • L’energia magnetica accumulata è 2 2 1 2 1 B B U m LI f 0 n 2 Al lA 2 2 20 0 n • Poiché Al è il volume del solenoide, definiamo la densità di energia magnetica 2 Um B m lA 20 • Questo risultato, anche se ricavato per un caso particolare, è valido in generale 15 Energia magnetica di due circuiti accoppiati EB1 EB2 L1 M L2 R2 R1 • Applichiamo la legge di Kirchhoff ai due circuiti E B 1 E i 1 VR 1 0 E B 2 E i 2 VR 2 0 • Nota: queste equazioni sono la base teorica del funzionamento del trasformatore • Isoliamo il termine di induzione E i 1 E B 1 VR 1 E i 2 E B 2 VR 2 16 Energia magnetica di due circuiti accoppiati • Moltiplichiamo la prima eq. per la corrente del primo circuito e analogamente procediamo con la seconda eq. E i 1 I 1 E B 1 I 1 VR 1 I 1 E i 2 I 2 E B 2 I 2 VR 2 I 2 • Come nel caso di un circuito singolo, il termine di sinistra rappresenta la potenza magnetica Pm1 Ei1 I 1 Pm 2 Ei 2 I 2 17 Energia magnetica di due circuiti accoppiati • L’energia magnetica totale sara` la somma delle energie magnetiche dei due circuiti dU m Pm1dt Pm 2 dt Ei1 I1 Ei 2 I 2 dt • Esplicitando la fem dei due circuiti dU m dI1 dI 2 dI1 dI 2 L1 M M I1 L2 I 2 dt dt dt dt dt dI dI dI dI L1 1 I1 M 2 I1 M 1 I 2 L2 2 I 2 dt dt dt dt d 1 d d 1 2 2 L1 I1 MI1 I 2 L2 I 2 dt 2 dt 2 dt 18 Energia magnetica di due circuiti accoppiati 1 1 2 2 • E integrando U m L1 I1 MI1 I 2 L2 I 2 2 2 • Tale energia non puo` essere negativa, questo matematicamente si esprime dicendo che la forma quadratica seguente e` non negativa L1 x 2 2Mxy L2 y 2 0 • La condizione perche’ cio` avvenga e` che il determinante sia negativo o nullo M L1 L2 0 2 19 Coefficiente di accoppiamento • Fisicamente cio` significa che il coefficiente di mutua induzione e` compreso nei limiti L1 L2 M L1 L2 • Si definisce coefficiente di accoppiamento M2 r L1 L2 0 r 1 • r e` compreso tra zero (circuiti disaccoppiati) e uno (circuiti completamente accoppiati) 20 Circuito LC – Oscillazioni libere • Applichiamo la 2a legge di Kirchhoff dI 1 EL VC 0 EL VC L Q dQ I dt dt L C C d 2Q 1 Q0 2 dt LC • È l’equazione del moto armonico 1 0 di pulsazione LC Q A cos0t • che ha soluzione I 0 A sin 0t 21 Circuito LC • Ove A e f si determinano imponendo le condizioni iniziali • Se p.e. imponiamo che al tempo t=0 la carica sia Q0 e la corrente sia 0, otteniamo Q Q0 cos 0t I 0Q0 sin 0t • Carica e corrente sono sfasate di /2 22 Circuito LC • L’energia accumulata nel circuito è in parte elettrica e in parte magnetica 1 Q 2 (t ) 1 2 U (t ) LI (t ) 2 C 2 23 Circuito LC • Questa energia è costante dU (t ) Q dQ dI Q Q LI I LI 0 dt C dt dt C LC • Ciò significa che l’energia si trasforma da elettrica a magnetica e viceversa, conservandosi globalmente • La presenza di resistenze comporta una diminuzione di energia e.m. e la comparsa di energia termica 24 Rocchetto a (*) induzione • Un rocchetto ad induzione (o di Ruhmkorff) è un tipo di trasformatore utilizzato per produrre impulsi ad alta tensione (dell’ordine di 10 kV) partendo da una sorgente di corrente continua a bassa tensione • (*) questa pagina e le cinque seguenti sono adattate da Wikipedia 25 Funzionamento • Un rocchetto ad induzione consiste di due solenoidi di filo di rame isolato avvolti attorno ad un unico nucleo di ferro • Un solenoide (avvolgimento primario) è costituito di decine o centinaia di spire di filo smaltato ed è percorso da una corrente elettrica che crea un campo magnetico • L'altro (avvolgimento secondario) consiste di diverse migliaia di spire di filo sottile ed è accoppiato magneticamente al primario attraverso il nucleo di ferro 26 Funzionamento • Il primario agisce da induttore, immagazzinando l'energia nel campo magnetico associato • Per produrre le variazioni di flusso necessarie ad indurre la forza elettromotrice nell'avvolgimento secondario, la corrente che circola nel primario è interrotta ripetutamente mediante un contatto vibrante chiamato interruttore • Quando la corrente elettrica del primario viene interrotta improvvisamente, il campo magnetico cala rapidamente e questo, per induzione elettromagnetica, causa un impulso ad alta tensione attraverso il secondario • Grazie all'alto numero di spire dell'avvolgimento secondario, la fem generata crea una ddp tra i terminali del secondario di molte migliaia di volt. Questa tensione è sufficiente a generare una scarica elettrica attraverso l'aria che separa i terminali 27 Funzionamento • Il rocchetto di Ruhmkorff utilizza una lamina metallica vibrante chiamata interruttore per aprire e chiudere rapidamente il circuito primario • L'interruttore è montato ad una estremità del nucleo ferroso, il campo magnetico generato dal primario attira la lamina, trattenuta da una molla, e apre il circuito • All'apertura del circuito, il campo magnetico si interrompe, la molla richiama l’interruttore e il circuito viene chiuso nuovamente 28 Funzionamento • La tensione nel secondario è indotta sia quando il circuito si apre che quando si chiude, ma la variazione della corrente è molto più rapida quando il circuito si apre così l'impulso nel secondario all'apertura è molto maggiore • NOTA: un condensatore è posto in parallelo all'interruttore del primario per sopprimere l'arco elettrico fra i contatti e permettere un'apertura più rapida e quindi una tensione maggiore • La forma d'onda dell'uscita di un rocchetto ad induzione è costituita da una serie di impulsi positivi e negativi ma una delle due polarità è molto più ampia dell'altra 29 Funzionamento • Il nucleo ferroso è costruito con un fascio di fili di ferro rivestiti con lacca per isolarli elettricamente • Questo diminuisce la formazione di correnti parassite perpendicolari all'asse magnetico 30 R Circuito chiuso EB L1 M L2 r • Equazione del primario in assenza di corrente nel secondario L di1 ri E 1 1 dt EB • Soluzione i1 1 e t T r L1 T r B i1 t 31 R Circuito chiuso EB L1 M • Flusso nel secondario L2 r 2 L2i2 Mi1 • Fem nel secondario E2 L2 di2 di M 1 dt dt • Fintanto che non passa corrente nel secondario, la fem si riduce a E M di1 M EB 1 e t T 2 dt • Nell’istante di chiusura del primario (t=0) essa vale E2 chius EB M L1 r T E2 t 32 Circuito aperto R EB modellato con una R molto grande • Equazione del primario di1 L1 dt L1 M L2 r R r i1 E B • Soluzione E B R t EB E B R t E B t i1 e e 1 e Rr r r Rr Rr r i1 L1 Rr t 33 R Circuito aperto EB L1 M r • Fintanto che non passa corrente nel secondario, la fem e` di1 E B R 1 t E2 M M e R r r dt L2 E2 • Nell’istante di apertura del primario (t=0) essa vale E2 aper EB R 1 EB R M M R r r L1 r t 34 Fem nelle commutazioni • Le fem all’apertura e chiusura del primario, tenuto conto del buon accoppiamento, sono E R E R L2 R R aper E2 M B L1 L2 B EB EB L1 r L1 r L1 r r EB EB L2 E2 M L1 L2 EB EB L1 L1 L1 • L’ultimo passaggio deriva dal diverso numero di spire nei due avvolgimenti • Il rapporto delle fem all’apertura e chiusura del primario aper e` E2 R 1 chius r E2 chius 35 Fem nelle commutazioni aper • Il rocchetto e` costruito in modo che E 2 generi una ddp tra i terminali aperti del secondario, sufficiente a superare la rigidita` dielettrica dell’aria e provocare quindi una scarica E2 Potenziale di scarica in aria chiusura del primario apertura del primario t 36 Importanza scientifica • Un rocchetto di questo tipo fu usato da H. Hertz per dimostrare sperimentalmente l'esistenza delle onde elettromagnetiche 37