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Il principio di funzionamento dell'induttanza è molto astratto. Per spiegare cos'è l'induttanza, partiamo dal fenomeno fisico di base.

1. Due fenomeni e una legge: magnetismo indotto dall'elettricità, elettricità indotta dal magnetismo e legge di Lenz

1.1 Fenomeno elettromagnetico

C'è un esperimento di fisica alle scuole superiori: quando un piccolo ago magnetico viene posizionato accanto a un conduttore con corrente, la direzione del piccolo ago magnetico si devia, il che indica che c'è un campo magnetico attorno alla corrente. Questo fenomeno fu scoperto dal fisico danese Oersted nel 1820.

Se avvolgiamo il conduttore in un cerchio, i campi magnetici generati da ciascun cerchio del conduttore possono sovrapporsi e il campo magnetico complessivo diventerà più forte, il che può attrarre piccoli oggetti. Nella figura la bobina è eccitata con una corrente di 2~3A. Si noti che il filo smaltato ha un limite di corrente nominale, altrimenti si scioglierà a causa dell'alta temperatura.

2. Fenomeno della magnetoelettricità

Nel 1831, lo scienziato britannico Faraday scoprì che quando una parte del conduttore di un circuito chiuso si muove per interrompere il campo magnetico, sul conduttore verrà generata elettricità. Il prerequisito è che il circuito e il campo magnetico si trovino in un ambiente relativamente mutevole, quindi si parla di magnetoelettricità “dinamica” e la corrente generata si chiama corrente indotta.

Possiamo fare un esperimento con un motore. In un comune motore CC con spazzole, la parte dello statore è un magnete permanente e la parte del rotore è un conduttore della bobina. Ruotare manualmente il rotore significa che il conduttore si muove per tagliare le linee di forza magnetiche. Utilizzando un oscilloscopio per collegare i due elettrodi del motore, è possibile misurare la variazione di tensione. Il generatore è realizzato in base a questo principio.

3. Legge di Lenz

Legge di Lenz: La direzione della corrente indotta generata dalla variazione del flusso magnetico è la direzione che si oppone alla variazione del flusso magnetico.

Una semplice comprensione di questa frase è: quando il campo magnetico (campo magnetico esterno) dell'ambiente del conduttore diventa più forte, il campo magnetico generato dalla sua corrente indotta è opposto al campo magnetico esterno, rendendo il campo magnetico totale complessivo più debole di quello esterno campo magnetico. Quando il campo magnetico (campo magnetico esterno) dell'ambiente del conduttore diventa più debole, il campo magnetico generato dalla corrente indotta è opposto al campo magnetico esterno, rendendo il campo magnetico totale complessivo più forte del campo magnetico esterno.

La legge di Lenz può essere utilizzata per determinare la direzione della corrente indotta nel circuito.

2. Bobina del tubo a spirale: spiegazione di come funzionano gli induttori Con la conoscenza dei due fenomeni precedenti e di una legge, vediamo come funzionano gli induttori.

L'induttore più semplice è una bobina a spirale:

Situazione durante l'accensione

Tagliamo una piccola sezione del tubo a spirale e possiamo vedere due bobine, bobina A e bobina B:

Durante il processo di accensione, la situazione è la seguente:

①La bobina A passa attraverso una corrente, presupponendo che la sua direzione sia quella mostrata dalla linea continua blu, chiamata corrente di eccitazione esterna;
②Secondo il principio dell'elettromagnetismo, la corrente di eccitazione esterna genera un campo magnetico, che inizia a diffondersi nello spazio circostante e copre la bobina B, che equivale alla bobina B che taglia le linee di forza magnetiche, come mostrato dalla linea tratteggiata blu;
③Secondo il principio della magnetoelettricità, nella bobina B viene generata una corrente indotta e la sua direzione è quella mostrata dalla linea continua verde, che è opposta alla corrente di eccitazione esterna;
④Secondo la legge di Lenz, il campo magnetico generato dalla corrente indotta deve contrastare il campo magnetico della corrente di eccitazione esterna, come mostrato dalla linea tratteggiata verde;

La situazione dopo l'accensione è stabile (DC)

Dopo che l'accensione è stabile, la corrente di eccitazione esterna della bobina A è costante e anche il campo magnetico che genera è costante. Il campo magnetico non ha movimento relativo con la bobina B, quindi non c'è magnetoelettricità e non c'è corrente rappresentata dalla linea continua verde. In questo momento, l'induttore equivale a un cortocircuito per l'eccitazione esterna.

3. Caratteristiche dell'induttanza: la corrente non può cambiare improvvisamente

Dopo aver capito come funziona uninduttorefunziona, diamo un'occhiata alla sua caratteristica più importante: la corrente nell'induttore non può cambiare improvvisamente.

Nella figura, l'asse orizzontale della curva destra è il tempo e l'asse verticale è la corrente sull'induttore. Il momento in cui l'interruttore viene chiuso viene considerato l'origine del tempo.

Si può notare che:1. Nel momento in cui l'interruttore è chiuso, la corrente sull'induttore è 0 A, che equivale a un circuito aperto dell'induttore. Questo perché la corrente istantanea cambia bruscamente, generando un'enorme corrente indotta (verde) per resistere alla corrente di eccitazione esterna (blu);

2. Nel processo di raggiungimento dello stato stazionario, la corrente sull'induttore cambia in modo esponenziale;

3. Dopo aver raggiunto lo stato stazionario, la corrente sull'induttore è I=E/R, che equivale a cortocircuitare l'induttore;

4. Alla corrente indotta corrisponde la forza elettromotrice indotta, che agisce per contrastare E, per questo viene chiamata Back EMF (forza elettromotrice inversa);

4. Cos'è esattamente l'induttanza?

L'induttanza viene utilizzata per descrivere la capacità di un dispositivo di resistere ai cambiamenti di corrente. Maggiore è la capacità di resistere ai cambiamenti di corrente, maggiore è l'induttanza e viceversa.

Per l'eccitazione CC, l'induttore si trova infine in uno stato di cortocircuito (la tensione è 0). Tuttavia, durante il processo di accensione, la tensione e la corrente non sono pari a 0, il che significa che è presente alimentazione. Il processo di accumulo di questa energia è chiamato ricarica. Immagazzina questa energia sotto forma di campo magnetico e la rilascia quando necessario (ad esempio quando l'eccitazione esterna non riesce a mantenere la dimensione corrente in uno stato stazionario).

Gli induttori sono dispositivi inerziali nel campo elettromagnetico. I dispositivi inerziali non amano i cambiamenti, proprio come i volani in dinamica. All'inizio è difficile iniziare a girare e, una volta che iniziano a girare, è difficile fermarli. L'intero processo è accompagnato dalla conversione dell'energia.

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