Induzione elettromagnetica, il fenomeno, le legge di Faraday-Neumann, il contributo di Lenz

Fenomeno dell'induzione elettromagnetica

Nel 1820, Oersted aveva sperimentato che un filo percorso da corrente provocava la deviazione di un ago magnetico posto nelle sue vicinanze. Attraverso questa semplice esperienza fu messo in evidenza che una corrente elettrica era in grado di produrre un campo magnetico. La scoperta spinse diversi scienziati fra cui Ampère e Michael Faraday a chiedersi, in base a un principio di simmetria, se un campo magnetico potesse a sua volta generare delle correnti elettriche.

Per rispondere a questo interrogativo, vennero ideati numerosi esperimenti che evidenziarono l’effettiva insorgenza di correnti all’interno di circuiti privi di un generatore di tensione, ogni volta che questi erano immersi in un campo magnetico variabile nel tempo. La forza capace di generare il moto delle cariche elettriche fu definita forza elettromotrice indotta o brevemente FEM, e il fenomeno per cui si genera una FEM indotta è detto induzione elettromagnetica. Le correnti che ne scaturiscono sono dette correnti indotte.

La legge di Faraday-Neumann

La legge di Faraday-Neumann è di grande importanza perché mette in relazione la FEM (indicata con il simbolo ε) con la sua causa, ovvero la variazione temporale del flusso di campo magnetico attraverso il circuito. L’equazione che esprime la legge è la seguente:

ε = -d(Φ)/dt

Si ricorda a tal proposito che il flusso del campo attraverso una superficie di normale è una grandezza scalare la cui unità di misura è il Weber e si calcola come segue:

Φ = B ⋅ A ⋅ cos(θ)

dove θ è l’angolo formato tra il vettore campo magnetico e la normale alla superficie. Faraday intuì che la variazione del flusso di B andava intesa come variazione del numero di linee che attraversavano il circuito. Più queste erano fitte, più erano intense la FEM e le correnti indotte.

Il flusso magnetico dipende infatti da:

• L'intensità del campo, ovvero dal modulo |B|
• L'orientazione rispetto alla superficie che investe, espressa dall'angolo θ
• L'area della superficie esposta, ovvero dal modulo |A|

Ogni volta che varia uno di questi fattori, il flusso cambia e quanto più è veloce questa variazione, tanto più intense sono le grandezze indotte.

Il contributo di Lenz

Il contributo dato da Lenz alla comprensione del fenomeno riguarda la direzione delle correnti indotte. Secondo la legge di Lenz, la corrente indotta si genera in un verso tale da opporsi alla variazione del flusso magnetico che la causa. Questo principio permette di determinare la direzione della corrente indotta e preserva il principio di conservazione dell'energia all'interno dei fenomeni di induzione elettromagnetica.