Elettromagnete

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Che cos'è un elettromagnete?

Un elettromagnete è un magnete alimentato elettricamente. Deve essere alimentato dall'elettricità. La forza dell'elettromagnete può essere regolata dalla corrente. Se la corrente viene interrotta, anche il campo magnetico scompare. Questo è il motivo per cui gli elettromagneti sono spesso utilizzati nella tecnologia piuttosto che i magneti permanenti, in quanto i campi magnetici regolabili offrono dei vantaggi. Nel caso più semplice, una bobina di filo metallico attraversata da una corrente si comporta come un elettromagnete.

Indice

Principio di funzionamento degli elettromagneti

Un elettromagnete è un dispositivo che genera un campo magnetico quando è collegato a una fonte di alimentazione. Di solito si tratta di un conduttore di corrente avvolto in una bobina con un nucleo ferromagnetico. Il campo magnetico è causato dalle cariche in movimento della corrente nel conduttore.

Secondo le conoscenze attuali, il movimento dei portatori di carica è l'unico modo per generare un campo magnetico. Questo è descritto anche dalle equazioni di Maxwell, le equazioni di base dell'elettrodinamica, stabilite dal fisico James Clerk Maxwell. Le equazioni di Maxwell descrivono con precisione la grandezza dei campi magnetici ed elettrici in funzione delle correnti e delle cariche. Per saperne di più sulla storia dei magneti, consultate la nostra guida.

In linea di principio, esistono solo campi magnetici generati dal movimento delle cariche. Questo crea sempre un campo magnetico con un polo nord e un polo sud. Non ci sono sorgenti del campo magnetico, poiché le cariche sono le sorgenti del campo elettrico.

Il primo fisico a riconoscere le forze magnetiche di un conduttore di corrente, a interpretarle correttamente e a mettere per iscritto la sua scoperta fu Hans Christian Oersted. Nel 1820, Oersted osservò la deflessione dell'ago di una bussola in prossimità di un filo conduttore di corrente.

Le forze magnetiche dei magneti permanenti sono causate anche dal movimento di cariche microscopiche nella materia. Gli elettroni degli atomi si muovono ad alta velocità. Gli elettroni hanno anche un caratteristico spin elettronico. Entrambi causano un momento magnetico e quindi forze magnetiche.

I campi magnetici più grandi in assoluto sono stati generati con bobine di grandi dimensioni attraverso le quali vengono fatte passare forti correnti. Il campo magnetico H al centro di una bobina di lunghezza l e raggio R è proporzionale alla corrente nella bobina I, è proporzionale al numero di spire della bobina n ed è indirettamente proporzionale alla lunghezza della bobina l per bobine molto lunghe, o indirettamente proporzionale al raggio della bobina R per bobine molto corte. La formula del campo magnetico H sull'asse di una bobina cilindrica portatrice di corrente è la seguente:

\(H = \frac{n\cdot{I}}{\sqrt{l^2+4\cdot{R^2}}}\)
Il campo magnetico di una bobina di piccolo diametro e con un numero molto elevato di spire è quindi particolarmente forte quando viene attraversata da una corrente molto elevata.

Le bobine superconduttrici con un gran numero di spire sono quindi oggi utilizzate per generare campi magnetici particolarmente grandi. I superconduttori sono materiali che non presentano resistenza elettrica e quindi conducono l'elettricità senza attrito. Attraverso il materiale superconduttore può quindi scorrere una corrente molto elevata. Per ridurre l'area della sezione trasversale e quindi il diametro della bobina, le bobine superconduttrici sono state fatte esplodere insieme in esperimenti su campi magnetici elevati utilizzando una carica esplosiva posta intorno alla bobina. In questo modo si riduce improvvisamente il diametro della bobina superconduttrice e il campo magnetico aumenta bruscamente per un breve periodo, anche se poi crolla di nuovo perché la bobina è stata distrutta. Le linee del campo magnetico sono state virtualmente compresse dall'esplosione.

Questo metodo è già stato utilizzato per generare campi magnetici dell'intensità di 10 000 Tesla. Campi magnetici ancora più grandi esistono nello spazio sulla superficie delle stelle di neutroni.

Illustrazione della struttura di un elettromagnete

La figura a sinistra mostra una sezione del campo magnetico H di un conduttore in cui scorre la corrente I. Al centro è mostrato l'andamento delle linee di campo quando il conduttore è piegato a formare una spira. Se attorno a un nucleo ferromagnetico (lato destro) sono avvolte molte spire di un conduttore (avvolgimenti) e al conduttore è applicata una tensione U, scorre una corrente I e si crea un campo magnetico H che, a causa del nucleo ferromagnetico e del gran numero di avvolgimenti, è molte volte più forte del campo magnetico della singola spira di conduttore. Questa struttura corrisponde a un elettromagnete classico. Tuttavia, la forma del campo magnetico è simile a quella di una spira di conduttore e identica a quella di un magnete permanente a barra. Per chiarezza, le linee di campo della bobina a destra sono state solo indicate. Sono molto più dense che nella spira a conduttore singolo e vanno dal polo nord (qui la parte inferiore della bobina) al polo sud (qui la parte superiore della bobina) per richiudersi all'interno dell'elettromagnete. I poli nord e sud possono essere invertiti scambiando i poli della sorgente di tensione e invertendo così la direzione della corrente.

In un materiale ferromagnetico esistono polarizzazioni magnetiche elementari che possono allinearsi a un campo magnetico esterno e amplificarlo fino a mille volte. Per questo motivo i materiali ferromagnetici sono utilizzati come nuclei di bobine negli elettromagneti. Nel caso più semplice, un filo viene semplicemente avvolto attorno a un cilindro di materiale ferromagnetico (ad esempio, ferro).

Chiunque può realizzare un semplice esperimento a casa. Basta avvolgere un filo di rame intorno a una matita. Collegando le estremità del filo di rame ai terminali positivo e negativo di una batteria, si genera una corrente attraverso il filo e un elettromagnete. Questo può essere utilizzato, ad esempio, per deviare l'ago di una bussola.

Se il filo di rame è avvolto intorno a un cilindro di ferro, ad esempio un chiodo, anziché una matita, il campo magnetico è molto più forte. Viene amplificato dal nucleo ferromagnetico per un fattore μ, la permeabilità magnetica. Per il ferro, μ può assumere valori superiori a 1 00.

Applicazioni tecniche degli elettromagneti

Oggi gli elettromagneti sono utilizzati nei generatori e nei motori elettrici, si trovano nei relè e sono un prerequisito per numerosi componenti elettronici nel settore radiotelevisivo. I trasformatori convenzionali, ad esempio, sono costituiti da bobine contrapposte con un diverso numero di spire.
In un trasformatore contenente due bobine, il campo magnetico di una bobina induce una tensione nella bobina opposta. L'entità di questa tensione dipende dal rapporto tra il numero di spire delle due bobine. È quindi possibile aumentare o diminuire le tensioni senza perdere molta potenza (a parte le perdite di calore).

Se desiderate costruire da soli un semplice motore elettrico, troverete le istruzioni nella seguente applicazione per i clienti:

Il motore elettrico più semplice del mondo

D'altra parte, le seguenti applicazioni per i clienti mostrano come sia possibile generare elettricità da un movimento (generatore):

Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt

Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

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