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Alunni della V A del Liceo Scientifico A. M. Maffucci, anno scolastico 2023/24:

Buscetto Andrea UbaldoDi Cairano GiuliaLucadamo Oriana Mariapia

educazione civica: obiettivo agenda 2030 - consumo e produzione responsabile

Research and Innovation Project

Brevi cenni introduttivi

Applicazioni in impianto

Valorizzazione ceneri pesanti

Effetti delle correnti indotte

Frequenza ed energia delle correnti indotte

Sitografia

Separatori ad induzione

indice

fisica e realtà

La corrente non è creata da una pila o da una batteria, ma dal movimento della calamita. All’interno della bobina, il campo magnetico della calamita diventa intenso quando la calamita è vicina e ritorna debole quando essa è lontana. Un campo magnetico che varia genera una corrente indotta. Si può far variare il campo magnetico all’interno del circuito anche in altri modi. Per esempio, mettiamo vicino a questo circuito senza batteria (circuito indotto) un secondo circuito (circuito induttore), nel quale facciamo variare la corrente diminuendo o aumentando la sua resistenza con una resistenza variabile. • Quando la resistenza è piccola, nel circuito induttore circola una corrente intensa, che genera un forte campo magnetico nella bobina del circuito indotto. • Quando la resistenza è grande, il campo magnetico nella bobina del circuito indotto è piccolo.

introduzione

LA CORRENTE INDOTTA Una corrente elettrica genera un campo magnetico. Al contrario, può un campo magnetico generare una corrente elettrica? Una semplice esperienza mette in luce che questo è possibile. Muoviamo rapidamente una calamita dentro una bobina collegata a una lampadina. Mentre la calamita si muove in su e in giù, la lampadina si accende: nel circuito circola una corrente. Invece, se la calamita è ferma, la lampadina non si accende; quindi nel circuito non c’è corrente.

La variazione della corrente nel circuito induttore genera una corrente indotta nel circuito senza batteria, perché il campo magnetico che lo attraversa varia. Invece, se la corrente nel circuito induttore resta uguale, nell’altro circuito non circola una corrente indotta, perché il campo magnetico che lo attraversa non varia. Quindi, ogni volta che, per qualche ragione, in un circuito varia il campo magnetico esterno, si genera una corrente indotta.

IL FLUSSO DEL CAMPO MAGNETICO L’intensità della corrente indotta dipende da tre grandezze: la variazione del campo magnetico esterno, l’area del circuito indotto e il suo orientamento. Si verifica che la corrente indotta è più intensa quando: A. muoviamo con maggiore rapidità la calamita, per ottenere un campo magnetico che varia più velocemente; B. la bobina ha un maggior numero di spire, così che l’area del circuito è più grande; C. cambiamo più rapidamente l’orientazione del circuito rispetto alle linee del campo magnetico.

Per decidere se Φ è maggiore o minore di zero, dobbiamo scegliere qual è la faccia «positiva» della superficie. Per fissare le idee, possiamo immaginare di colorare di giallo la faccia scelta. Per definizione, è positivo il flusso Φ di un campo magnetico le cui linee escono dalla faccia positiva della superficie. A. In questo caso Φ è positivo, perché le linee di campo magnetico escono dalla faccia positiva della superficie. B. Invece, Φ è negativo quando le linee del campo magnetico entrano nella faccia positiva ed escono da quella negativa.

LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN Nasce una corrente indotta ogni volta che si ha una variazione del flusso magnetico attraverso la superficie di un circuito. Per esempio, quando si muove in su e in giù una calamita in una bobina, la variazione del campo magnetico della calamita fa variare il flusso. Quando si ruota un circuito in un campo magnetico, il flusso è: A. positivo e massimo, quando le linee del campo escono perpendicolari dal circuito; B. zero, quando le linee del campo sono parallele alla superficie del circuito; C. negativo e minimo, quando le linee del campo entrano perpendicolari nel circuito.

Se c’è una corrente indotta, ci deve essere una forza elettromotrice (indotta) che la produce. Molti esperimenti, condotti alla metà dell’Ottocento, hanno portato alla legge dell’induzione elettromagnetica, detta legge di Faraday-Neumann. Il valore della forza elettromotrice indotta è uguale al rapporto tra la variazione del flusso del campo magnetico e il tempo necessario per avere tale variazione:

Se la resistenza elettrica del circuito è R, la prima legge di Ohm ci permette di calcolare anche l’intensità della corrente indotta. Muovere un magnete, variare una corrente, deformare un circuito oppure ruotarlo sono operazioni diverse che generano in un circuito una variazione del flusso di B e, quindi, una corrente indotta. La legge dell’induzione elettromagnetica semplifica il quadro: essa afferma che, indipendentemente dai dettagli, la sola cosa che conta è la rapidità con cui varia il flusso del campo magnetico attraverso il circuito. Pertanto, per avere correnti indotte intense occorre variare il flusso di molto in poco tempo, per esempio cambiando velocemente il campo magnetico nella zona dove si trova il circuito, oppure variando rapidamente l’orientazione del circui-to rispetto alle linee del campo. Il fenomeno dell’induzione elettromagnetica è alla base del funzionamento del pick-up delle chitarre elettriche (fotografia a lato). Come è mostrato nella figura seguente, esso è composto da un magnete permanente attorno a cui è avvolta una bobina. Le corde della chitarra sono costruite con un materiale adatto, che viene magnetizzato. Così l’oscillazione della corda crea un campo magnetico variabile nella bobina che, a sua volta, genera una corrente elettrica che riproduce il movimento della corda. È questo il segnale che viene inviato all’amplificatore e che genera il caratteristico suono della chitarra elettrica.

Nel primo caso, il campo indotto accentuerebbe l’aumento del flusso totale, il quale, a sua volta, creerebbe una corrente indotta più intensa e quindi un nuovo campo magnetico indotto, innescando un processo senza fine. Si otterrebbe così una corrente elettrica, e cioè energia elettrica, gratis, in contrasto con il principio di conservazione dell’energia. Poiché questo non è possibile, la corrente indotta deve circolare in senso antiorario, in modo da contrastare l’aumento del campo della calamita. Quindi il principio di conservazione dell’energia determina il verso della corrente indotta.

Secondo la legge di Lenz: il verso della corrente indotta è sempre tale da opporsi alla variazione di flusso che la genera. Questa legge prende il nome dal fisico russo Emilij Kristianovicˇ Lenz (1804-1865).

L'AUTOINDUZIONE E LA MUTUA INDUZIONE Fino a questo momento abbiamo sempre esaminato il caso di un circuito indotto che risente dell’azione di un campo magnetico esterno, generato per esempio da un magnete permanente. Però un circuito percorso da corrente produce un campo magnetico che, a sua volta, genera un flusso magnetico attraverso il circuito stesso. Quando la corrente varia il flusso cambia e si ha il fenomeno dell’autoinduzione. Inoltre, due circuiti vicini possono produrre campi magnetici che generano flussi magnetici nell’altro circuito; allorché la corrente in uno dei circuiti varia si osserva il fenomeno della mutua induzione.

LE CORRENTI DI FOUCAULT Le correnti di Foucault, denominato anche correnti parassite, correnti indotte o Eddy Current (vortice di correnti), sono un fenomeno fisico che tutti hanno visto almeno per una volta. Basti pensare ad un comune piano di cotture ad induzione, o al disco (in Al) che girava nei vecchi contatori di casa per misurare l’energia elettrica, o ai sistemi di ricarica delle batterie degli accumulatori delle automobili ibride e nell’attuale tecnica delle auto di F1. L’ordine scientifico dato a questo fenomeno è accomunato al nome di Michel Foucault, che nel 1855 ne comprese l’andamento, ma con l’esperienza di altri fisici che lo hanno preceduto (Faraday, Lenz), ne ha tracciato le regole fondamentali che a noi interessano. Ogni metallo conduttore posto davanti ad un campo magnetico variabile, genera sulla sua pelle una circolazione di corrente, ovvero, un vortice (eddy) che tende a frenare il sistema, per rimetterlo in equilibrio statico. Il campo magnetico indotto sul metallo, si oppone al campo magnetico induttore. In pratica, i due campi si respingono, creando energia cinetica potenziale, che si esprime nelle macchine selezionatrici, in un salto (jump) del metallo indotto.

Se il metallo che si presenta sul campo magnetico induttore è già dotato di una propria energia cinetica (cioè salta o rotola) e non è perfettamente statico, l’effetto del salto indotto può essere di molto ridotto dal sommarsi delle due energie cinetiche, indotta e propria. Ogni metallo attraversato da corrente elettrica si scalda, ed ancora di più e più velocemente se facciamo sì che l’energia cinetica indotta sia frenata dall’esterno, impediamo cioè al metallo indotto di saltare. In pochi minuti (dipende dal metallo) si raggiungono temperature elevate. Se sul piano cottura a induzione l’acqua bolle nella pentola perché è la pentola stessa a scaldarsi con le correnti Foucault. Non appena solleviamo la pentola dal piano cottura, ad una distanza di 10/15 mm, o comunque ad una distanza sufficiente per non risentire più del campo induttore, la pentola e l’acqua al suo interno si raffredderanno. Viceversa, se la pentola fosse lasciata sul piano cottura e quest’ultimo non fosse dotato di un controllo di temperatura del vetro ceramico che lo ricopre e che interrompe il sistema in caso di sovratemperatura, la pentola fonderebbe. Nella stessa forma, negli impianti di seguito presentati, una lattina a cui un corpo estraneo impedisce il salto (l’energia cinetica indotta), arriverebbe a temperatura di fusione in pochi minuti.

Effetti delle correnti indotte sui vari metalli non ferrosi Natura del metallo Non-Fe da separare Il metallo Non-Fe da separare, trasformerà in energia cinetica l’effetto di repulsione delle correnti di Foucault rispetto al campo magnetico che le genera. Questa trasformazione da energia magnetica ad energia cinetica avviene nei metalli Non-Fe ove è più facile che le correnti indotte possano circolare, cioè quelli a più alta conducibilità elettrica. La forza con la quale il metallo Non-Fe viene spinto in avanti, è un parametro puramente meccanico: più è leggero il metallo Non-Fe da separare, più sarà agente la forza di spinta. Considerando i due parametri segnalati, possiamo dire che la trasformazione da energia magnetica ad energia cinetica avviene tanto meglio quanto più elevato è il rapporto tra conducibilità magnetica e peso specifico del metallo Non-Fe da separare. Ecco alcuni valori tipici di metalli Non-Fe ed il loro rapporto di conducibilità elettrica/peso specifico, tra i Non Ferrosi più facilmente separabili abbiamo:

Pezzatura e Peso del metallo Non-Fe da eiettare Nella separazione dei metalli Non-Fe si possono incontrare svariate tipologie di pezzature: da frazioni di qualche millimetro a pezzi di profili da 250 mm ed oltre, da corpi cavi a corpi pieni (pezzi di fusioni), da granuli di qualche grammo a pezzi di qualche kilogrammo. Per ciascuna di queste applicazioni esiste un optinum: la macchina ideale e specifica, ciò è vero purché questi metalli Non-Fe siano omogenei nelle dimensioni nei pesi. Non esiste macchina che possa contemporaneamente espellere dal flusso granelli di metallo Non-Fe da 2-3 mm e pezzi di motore o profili da 250 mm. E’ quindi necessario dare uniformità granulometrica al metallo Non-Fe da separare e che questa uniformità sia propria anche del materiale inerte (non metallico) di processo. Ciò normalmente avviene con un’opportuna e necessaria, vagliatura a monte. Anche in questo caso, la geometria del metallo Non-Fe da separare è un dato fondamentale: sarà molto più facile separare (dare maggiore spinta) il metallo cavo che al pezzo pieno. Una lattina (33 cl) di alluminio, pesa circa 11 grammi, un nodulo (sfera Ø 9 mm) di Al, ha lo stesso peso. Con la macchina ottimale, la lattina riceve una spinta tale da farla cadere oltre 1,5mt dal rotore. La sfera Ø 9 mm di Al, con la macchina ottimale, sarà spinta a circa 150 mm dal rotore, cioè 1/10 della distanza pur avendo lo stesso peso, ma nel caso della lattina il peso è distribuito su un più grande volume. Il rapporto peso/volume del metallo Non-Fe da separare è quindi, una componente importante: più è basso questo rapporto, maggiore sarà la spinta.

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