Induttore, cos’è?
Abbiamo tutti sentito il termine Induttore molte volte, ma cos’è? Beh, è un elemento passivo progettato per immagazzinare energia nel suo campo magnetico. Gli induttori trovano numerose applicazioni nei sistemi elettronici e di potenza. Sono usati in alimentatori, trasformatori, radio, TV, radar e motori elettrici.
Ma per aumentare l’effetto induttivo, un induttore pratico è di solito formato in una bobina cilindrica con molte spire di filo conduttore, come mostrato nella Figura 1.
Un induttore consiste in una bobina di filo conduttore.
Se si lascia passare la corrente attraverso un induttore, si trova che la tensione attraverso l’induttore è direttamente proporzionale al tasso di variazione temporale della corrente. Usando la convenzione del segno passivo nella seguente equazione (1):
dove L è la costante di proporzionalità chiamata induttanza dell’induttore. L’unità di misura dell’induttanza è l’henry (H), chiamato così in onore dell’inventore americano Joseph Henry (1797-1878). È chiaro dall’equazione di cui sopra che 1 henry equivale a 1 volt-secondo per ampere.
Alla luce dell’equazione di cui sopra, perché un induttore abbia tensione attraverso i suoi terminali, la sua corrente deve variare nel tempo. Quindi, v=0 per una corrente costante attraverso l’induttore.
L’induttanza di un induttore dipende dalla sua dimensione fisica e dalla costruzione. Le formule per calcolare l’induttanza di induttori di forme diverse sono derivate dalla teoria elettromagnetica e possono essere trovate nei manuali standard di ingegneria elettrica.
Per esempio, per l’induttore, (solenoide) mostrato in figura 1,
dove:
- N è il numero di giri,
- l è la lunghezza,
- A è la sezione trasversale, e
- m è la permeabilità del nucleo.
Dall’equazione di cui sopra possiamo vedere che l’induttanza può essere aumentata aumentando il numero di giri della bobina, usando materiale con una maggiore permeabilità come nucleo, aumentando l’area della sezione trasversale o riducendo la lunghezza della bobina.
Come i condensatori, gli induttori disponibili in commercio hanno diversi valori e tipi. Tipici induttori pratici hanno valori di induttanza che vanno da pochi microhenrys (mH), come nei sistemi di comunicazione, a decine di henrys (H) come nei sistemi di potenza. Gli induttori possono essere fissi o variabili. Il nucleo può essere fatto di ferro, acciaio, plastica o aria.
Induttori comuni sono mostrati nella figura 2 sopra. I simboli del circuito per gli induttori sono mostrati in Figura 3, seguendo la convenzione del segno passivo.
L’equazione (1) è la relazione tensione-corrente per un induttore. La figura 4 mostra questa relazione graficamente per un induttore la cui induttanza è indipendente dalla corrente. Un tale induttore è noto come un induttore lineare.
In questo articolo tecnico assumeremo induttori lineari.
La relazione corrente-tensione si ottiene dall’equazione (1) come:
Integrando si ottiene:
o
dove i(t0) è la corrente totale per -∞ < t < a e i(-∞) = 0. L’idea di fare i(-∞) è pratica e ragionevole, perché ci deve essere un tempo nel passato in cui non c’era corrente nell’induttore.
L’induttore è progettato per immagazzinare energia nel suo campo magnetico. L’energia immagazzinata può essere ottenuta dall’equazione (1). La potenza fornita all’induttore è:
L’energia immagazzinata è:
Siccome i(-∞) = 0,
Note //
Dovremmo notare le seguenti importanti proprietà di un induttore:
NOTE 1 //
Nota dall’equazione 1 che la tensione attraverso un induttore è zero quando la corrente è costante.
NOTE 2 //
Un’importante proprietà dell’induttore è la sua opposizione al cambiamento della corrente che lo attraversa. La corrente attraverso un induttore non può cambiare istantaneamente.
Per esempio, la corrente attraverso un induttore può assumere la forma mostrata nella Figura 5(a), mentre la corrente dell’induttore non può assumere la forma mostrata nella Figura 5(b) in situazioni reali a causa delle discontinuità. Tuttavia, la tensione attraverso un induttore può cambiare bruscamente.
NOTE 3 //
Come il condensatore ideale, l’induttore ideale non dissipa energia. L’energia immagazzinata in esso può essere recuperata in un secondo momento. L’induttore prende energia dal circuito quando immagazzina energia e fornisce energia al circuito quando restituisce l’energia precedentemente immagazzinata.
NOTE 4 //
Un induttore pratico, non ideale, ha una componente resistiva significativa, come mostrato nella figura 6. Questo è dovuto al fatto che l’induttore è fatto di un materiale conduttore come il rame, che ha una certa resistenza.
Questa resistenza è chiamata resistenza di avvolgimento Rw, e appare in serie all’induttanza dell’induttore. La presenza di Rw lo rende sia un dispositivo di immagazzinamento di energia che un dispositivo di dissipazione di energia. Poiché Rw è di solito molto piccola, viene ignorata nella maggior parte dei casi. L’induttore non ideale ha anche una capacità di avvolgimento Cw dovuta all’accoppiamento capacitivo tra le bobine conduttrici.
Cw è molto piccola e può essere ignorata nella maggior parte dei casi, tranne che alle alte frequenze. Abbiamo assunto solo induttori ideali in questo articolo.
Chi era Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878), un fisico americano, ha scoperto l’induttanza e costruito un motore elettrico. Nato ad Albany, New York, Henry si diplomò alla Albany Academy e insegnò filosofia alla Princeton University dal 1832 al 1846.
Fu il primo segretario della Smithsonian Institution. Condusse diversi esperimenti sull’elettromagnetismo e sviluppò potenti elettromagneti che potevano sollevare oggetti del peso di migliaia di libbre. È interessante notare che Joseph Henry scoprì l’induzione elettromagnetica prima di Faraday ma non riuscì a pubblicare le sue scoperte.
L’unità di induttanza, l’henry, prese il suo nome.