Legge di Lenz

Chi era Heinrich Friedrich Emil Lenz?

Heinrich Friedrich Emil Lenz è stato un importante fisico del XIX secolo, nato il 12 febbraio 1804 a Dorpat, allora parte dell'Impero russo (oggi Tartu, Estonia). Conosciuto per il suo approccio meticoloso e metodico, Lenz ha dato un contributo significativo allo sviluppo della teoria elettromagnetica, in particolare attraverso le sue indagini sperimentali nel campo dell'elettrodinamica. Oltre al suo lavoro scientifico, Lenz fu attivo anche come insegnante accademico e influenzò generazioni di fisici attraverso le sue attività di insegnamento all'Università di San Pietroburgo, per cui la sua influenza sulla scienza andò ben oltre la sua stessa ricerca.

La legge di Lenz spiega semplicemente

Secondo la legge di Lenz, la corrente indotta nel conduttore scorre sempre nella direzione in cui il suo campo magnetico contrasta la causa della sua generazione. In altre parole, la corrente generata dall'induzione elettromagnetica produce un campo magnetico che contrasta la variazione del campo magnetico originale che ha indotto la corrente (vedi figura).

Il sistema agisce in modo da cercare di minimizzare la variazione che causa la corrente indotta. La regola di Lenz può essere derivata dalla legge di conservazione dell'energia. Per muovere il conduttore nel campo magnetico si deve compiere un lavoro che genera la corrente nel conduttore. La regola di Lenz è fondamentale per comprendere e utilizzare l'induzione elettromagnetica in molte applicazioni tecnologiche, come nei generatori, nei trasformatori, nei motori a induzione e in altri dispositivi elettromagnetici. Spiega anche fenomeni come la frenatura a correnti parassite, in cui la generazione di correnti parassite in un metallo viene utilizzata per smorzare il moto grazie al campo magnetico generato da queste correnti.

Quando si applica la legge di Lenz?

La legge di Lenz viene sempre applicata quando si verifica l'induzione elettromagnetica. Questa a sua volta si verifica sempre quando cambia il flusso magnetico \(Φ\) che passa attraverso una superficie A di un conduttore. La densità di flusso magnetico è appunto il flusso per area

\(B = Φ/A\).

L'induzione si verifica quando i conduttori si muovono in campi magnetici, ad esempio quando le spire dei conduttori ruotano in campi magnetici (come nei generatori) o i campi magnetici intorno ai conduttori vengono deliberatamente modificati (modulati), come nei motori elettrici.

In tutti questi casi, la corrente generata dall'induzione elettromagnetica agisce in modo tale che il proprio campo magnetico tenta di inibire la variazione originale del campo magnetico che ha causato la corrente.

Formule matematiche

In elettrodinamica e in fisica in generale, esistono alcune formule chiave che sono essenziali per comprendere e applicare la legge di Lenz e l'induzione elettromagnetica:

La densità di flusso magnetico B deriva dal flusso magnetico \(Φ_{B}\) che attraversa una superficie A secondo la formula \(Φ_{B} = B · A ·cosΘ \) dove \(Θ\) descrive l'angolo tra il flusso magnetico e la normale (perpendicolare) alla superficie.

Il punto di partenza è la legge di induzione di Faraday:

\(U_{EMK}=-\frac{ΔΦ_B}{Δt}\)

Descrive la forza elettromotrice indotta come una tensione \(U_{EMK}\), che risulta dalla variazione del flusso elettromagnetico \(∆ Φ_{B}\) attraverso una spira conduttrice nel periodo di tempo \(∆ t\). Ciò determina una tensione indotta (detta anche autoinduzione) in una bobina con induttanza L e una variazione di corrente \(∆ I\) nell'intervallo temporale \(∆ t\) secondo la formula

\(U=-L\frac{∆ I}{∆ t}\)

La forza che agisce su un conduttore di corrente in un campo magnetico, la cosiddetta forza di Lorentz (vedi figura), si calcola secondo la nota formula

\(F=-I·l·B sin Θ\)

Dove \(I\) è la corrente, \(l\) è la lunghezza del conduttore e \(Θ\) è l'angolo tra il conduttore e il campo B.

Applicazioni tecniche della legge di Lenz o dell'effetto di induzione

La regola di legge viene utilizzata in una serie di settori fisici e tecnici in cui l'induzione elettromagnetica svolge un ruolo importante. Alcuni esempi importanti della legge di Lenz sono

Generatori elettrici: i generatori convertono l'energia meccanica in energia elettrica. La legge di Lenz spiega come il movimento di un conduttore attraverso un campo magnetico induca una corrente il cui campo magnetico contrasta il movimento originale. Di conseguenza, quando il generatore ruota nel campo magnetico deve essere speso del lavoro, che viene poi convertito in una corrente utilizzabile.

Transformatori: nei trasformatori, la legge di Lenz viene utilizzata per trasferire la tensione alternata da un circuito all'altro, in modo che il livello di tensione possa essere modificato ponendo bobine con un diverso numero di spire l'una di fronte all'altra in due circuiti diversi. La bobina del circuito primario genera un campo magnetico che produce una corrente con una tensione adeguata nella bobina del circuito secondario.

Motori elettrici: nei motori elettrici, la forza contraria generata dall'induzione elettromagnetica provoca una coppia che aziona il motore.

Sensori induttivi o metal detector: questi sensori utilizzano la legge di Lenz per rilevare la presenza di metalli misurando le variazioni della corrente indotta.

Freni a correnti parassite: le correnti parassite sono indotte in questi freni dal movimento di una parte metallica in un campo magnetico. La legge di Lenz spiega come il campo magnetico di queste correnti contrasti il movimento originale e crei quindi un effetto frenante.

Piani di cottura a induzione: in questo caso, un campo magnetico in rapida evoluzione induce correnti parassite nelle pentole di metallo, che generano calore.

Drahtlose Energieübertragungssysteme: Diese Systeme nutzen die elektromagnetische Induktion, um Energie über eine Distanz zu übertragen, wobei die Lenzsche Regel die Effizienz und das Design der Übertragung beeinflusst.