Premessa: l'argomento dell'elettromagnetismo e in particolare il fenomeno dell'induzione elettromagnetica è trattato in maniera più approfondita nella materia Elettronica ed Elettrotecnica.
Si rimanda all'unità 1_2 per la definizione delle principali grandezze magnetiche e le proprietà dei materiali magnetici.
Un induttore è un componente passivo che consiste in un avvolgimento, realizzato con un filo di rame isolato, avvolto su un supporto per formare una bobina. Il parametro principale di un induttore è la sua induttanza. L'induttore può essere:
Quando un induttore è percorso da corrente si genera al suo interno un campo magnetico H a cui è associato un valore di energia potenziale; l'induttore dunque, come il condensatore, è in grado di accumulare energia. A seconda del materiale presente, e in particolare dalla permeabilità magnetica μ del materiale, nello spazio dove è presente il campo magnetico si genera un'induzione magnetica B, che è la vera responsabile di tutti i fenomeni magnetici ed elettromagnetici1). La grandezza magnetica da cui dipende il fenomeno dell'induzione magnetica è il flusso concatenato ed è il flusso del vettore B che attraversa la superficie racchiusa dall'induttore2). Il flusso concatenato con un circuito generato dal circuito stesso quando è attraversato da corrente si può calcolare con:
`phi = L i`
dove L è l'induttanza (o coefficiente di autoinduzione) del circuito, misurata in Henry [H].
La legge di Ohm dell'induttore - un caso particolare della legge generale dell'induzione elettromagnetica (Faraday-Neumann-Lenz) - descrive il fenomeno dell'autoinduzione, cioè tensioni indotte dovute alla variazione del flusso concatenato col circuito generato dal circuito stesso. La legge è:
`v = L (di)/dt`
e afferma che:
L'induttore presenta comportamenti simili - ma per fenomeni diversi - a quelli del condensatore; anche in questo caso abbiamo:
Il comportamento di un induttore può essere studiato con il circuito equivalente di figura 1. Oltre al parametro principale, l'induttanza L, sono presenti:
Con opportuni calcoli il circuito può essere trasformato in quello di figura 2a con solo due parametri3). Dal diagramma vettoriale di figura 2b si vede che lo sfasamento non è 90° ma diminuito di un angolo δ detto angolo perdita.
I principali parametri caratteristici di un induttore sono:
Il valore effettivo dell'induttanza può cambiare con la frequenza4) e, come per resistori e condensatori, è contenuto in un intervallo definito dalla tolleranza. L'angolo di perdita deve essere il più basso possibile; dal suo valore dipendono le perdite nell'induttore5) messe in evidenza dal fattore di perdita, definito come tangente di δ. La frequenza di risonanza indica la frequenza oltre la quale l'induttore si comporta da condensatore e non deve essere mai superata. Il coefficiente di temperatura definisce come cambia il valore dell'induttanza al variare della temperatura.
Il fattore di merito (o di qualità) Q è un parametro che definisce la qualità di un induttore. Il suo valore si calcola con:
`Q=(omega L)/R`
e corrisponde all'inverso del fattore di perdita. Valori di Q elevati sono dunque desiderabili e corrispondono a basse perdite e induttanza elevata.
Gli induttori vengono usati:
Gli induttori posso essere:
Le due forme costruttivi principali sono:
Gli avvolgimenti sono realizzati con un filo di rame (isolato) sottile e a bassa resistenza. Per ottenere elevati valori di induttanza si possono sovrapporre più strati (figura 4b). Per limitare la capacità parassita si può utilizzare un avvolgimento a nido d'ape.
Gli induttori con nucleo sono realizzati inserendo un materiale con buone proprietà magnetiche - alta permeabilità - all'interno dell'avvolgimento. Il valore dell'induttanza dipende dalla permeabilità di questo materiale quindi è molto più elevato che per induttori in aria. In genere il nucleo è realizzato con:
Le ferriti, che sono materiali ceramici, consentono di ottenere valori di induttanza elevati limitando le perdite e costituiscono l'unica alternativa agli induttori in aria quando si lavora in alta frequenza.
Anche per gli induttori si usa un codice a bande colorate per indicare sul contenitore del componente il valore dell'induttanza. Le bande si leggono come per i resistori - due cifre significative seguite da un moltiplicatore - e il valore ottenuto è espresso in μH.
Gli induttori sono in grado di emettere e ricevere disturbi da e verso altre apparecchiature. Per limitare queste interferenze si usano gli schermi protettivi. Gli schermi per induttori in bassa frequenza sono realizzati con un materiale ferromagnetico in grado di contenere (confinare) il campo magnetico al suo interno (figura 7a). Quelli per induttori in alta frequenza usano un materiale metallico molto conduttivo (alluminio o rame) sul quale circolano correnti indotte che ostacolano la penetrazione di campi esterni (figura 7b).
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