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Titolo: Induzione, legge di Faraday

Premesso che di fisica so poco e di matematica quasi nulla,
mi pare d'aver capito che in base alla legge di Faraday la forza 
elettromotrice indotta in un circuito chiuso dipende (anche) 
dalla variazione del flusso magnetico attraverso l'area del circuito.
 
Per motivi troppo lunghi da raccontare,  ho testato cosa succede 
facendo girare un magnete attorno al filo di una grandissima spira 
(circa 120x60 cm) : ecco l'oggetto e i risultati del test. 
http://digilander.libero.it/gino333/faraday.jpg
 
 
Come si vede la tensione tende a zero quanto piu' il filo si
avvicina al centro di rotazione, eppure la variazione del flusso 
magnetico attraverso l'area della spira circuito non cambia
gran che'. 
 
Si direbbe  che la variazione del flusso magnetico  vada vista
in relazione al filo e non in relazione all'area del circuito.
 
Immagino che ci sia una spiegazione e sarei molto grato a chi
volesse darmela adattandosi ai miei limiti di preparazione.

 volesse darmela adattandosi ai miei limiti di preparazione.
 
 
Allora mi vedo costretto a tentare di raccapezzarmici da solo.
 
http://digilander.libero.it/gino333/faraday.jpg
 
A destra e in alto, un *Secondo test* fa toccare con mano  un
fatto (per me) sorprendente: la curva delle tensioni � sempre
alternata (l'area + � uguale all'area -) nonostante il magnete in
oscillazione rivolga sempre lo stesso polo in direzione del filo.
(Il magnete e' quello posto sulla punta  del seghetto alternativo
e cio' che si vede nell'oscilloscopio non cambia ovunque si piazzi
e/o si inclini  il magnete oscillante).
 
Ho provato anche a tenere fermo il magnete e a muovere la
bobina:  il risultato *qualitativamente* non cambia (per un test
quantitativo  occorrerebbe maggior precisione di quella possibile
con un test cosi' artigianale, ma non vedo motivo per attendermi
risultati diversi).
 
Fra l'altro questo Secondo test mi fa intuire perche'  si forma una
curva alternata anche nel Primo test: pure in questo caso
il magnete si allontana e si avvicina al filo (in piu' vi *scorre*
vicino cambiando distanza e angolazione, e cio' e' sicuramente
la causa dell'alterazione della sinusoide regolare ricavata invece
nel Secondo test).
 
Devo quindi immaginare che il *movimento relativo* magnete-
-spira sia come il pizzicare la corda di una chitarra. Deve in qualche
modo generarsi una *interazione fisica* fra magnete e filo. Un
meccanismo diverso quello dell'oscillazione di una *carica elettrica*
dove vengono generate onde elettromagnetiche che viaggiano  per
tutto l'universo e sono *svincolate* dall'emittente. La differenza
dovrebbe dipendere dal fatto che invece di un monopolo elettrico
(carica elettrica) qui abbiamo un *bipolo magnetico*.
 
Sicuramente l'orientazione del magnete influisce sulla forma della
sinusoide, cos� come la forma specifica dell'alternatore modificher�
e rendera' piu' o meno regolare e/o intensa la curva delle tensioni.
 
Ma non e', come si potrebbe pensare considerando lo schema dell'
alternatore di Faraday
http://www.ntns.it/progetto_html/alternatore.htm
 
il passare del filo dal polo + al polo - che determina l'inversione,
sicuramente il fatto influisce, ed anche molto. Si osservi ad esempio
a destra in 
http://digilander.libero.it/gino333/faraday.jpg
 
lo *schema di un alternatore assiale* ( non troppo diverso
da quello di Faraday, salvo il fatto che qui si muovono i magneti
invece della spira).
 
Con riferimento alla spira colorata in *fucsia*(quella normale)
abbiamo un magnete + e uno - sotto i due lati attivi della spira
e poich� l'*induzione* in qualche modo *spinge  a 90 gradi* gli
elettroni del filo, ecco che l'inversione dei due magneti li fa
*collaborare* nella *direzione* da imprimere al moto degli
elettroni (essendo il + e - solo un'indicazione convenzionale  della
direzione del moto della corrente).
 
Si noti che i magneti che passano sotto la spira si invertono di segno
ad ogni arrivo di un nuovo magnete e quindi il senso di rotazione
della corrente s'inverte continuamente, quindi non esiste una vera
*corrente* abbiamo un continuo avanti-indietro degli elettroni; un
tremolio, un *campo*, uno sparvugliamento di *fotoni virtuali* o di
quel che vi pare (tanto nessuno ha mai visto che succede) che, a
quanto pare, si trasmette lungo tutto il filo alla  velocita' della luce
(purche' sia chiuso, anche soltanto dallo strumento di misura).
 
Ai miei occhi inesperti pareva proprio questo meccanismo a
generare la sinusoide +- delle tensioni.
 
Era un grave  ERRORE, il *Secondo test*, quello fatto col
Black & Decker, mi dice che la geometria dell'alternatore puo' solo
*ASSECONDARE*, piu' o meno bene, il fenomeno. Dev'essere
come spingere un tappo sott'acqua: pi� forza ci metti piu'intense
saranno le oscillazioni,  ma la mezzeria sara' sempre sul filo
dell'acqua: ammetto certamente che non posso dire d'aver capito,
ma l'osservazione dice che questo � un fatto indubitabile.
 
NB. Faccio notare che � stato il testare certi alternatori assiali  (ne ho
    fatti parecchi e sono arrivato al rendimento del 93% da 50 a 250
    giri) che mi ha fatto sospettare che l'interazione non avvenga
    fra magnete e area della spira (come dice Faraday) ma fra magnete
    e filo: difatti se osservate la grande spira posta ortogonale, in essa
    la tensione e' grossomodo la meta' di quella fornita dalla spira in
    fucsia (forma normale dove il filo *attivo* � lungo il doppio, si noti
    per� che per avere proprio il doppio della tensione della grande
    spira verticale, quella fucsia dovrebbe essere piu' allungata
    radialmente per raccogliere anche l'oscillazione del campo
    magnetico che si diffonde  anche ai lati del magnete).
 
 NB.Non dispongo dell'immagine della curva all'oscilloscopio della
    spira fucsia e di quella in verticale (non posseggo lo strumento,
    non lo so usare, devo invocare l'aiuto di mio cognato), ma i test
    precedenti  mi dicono che si tratter� sempre di forme alternate,
    seppure con le sinusoidi  piu' o meno regolari.
 
Ma, mi si dice, sulla legge di Faraday si regge tutta l'elettrotecnica,
quindi non ci possono essere errori. Vero, ma si consideri  quanto
segue.
 
Per semplificare all'osso la questione, io ho considerato  spire prive di
nucleo magnetico (come nell'alternatore di Faraday e come nei miei
assiali). In questa situazione l'area del magnete determina l'area della
spira e di conseguenza la lunghezza del filo, percio' prendere come
riferimento uno dei tre elementi *va sempre bene*:  quindi se anche
il responsabile  dell'induzione NON fosse l'area della spira, cio' non
ha conseguenze pratiche (ma solo in termini conoscitivi).  
 
Come invece funzionino le cose quando le bobine presentano un
nucleo magnetico, non lo so, ma non credo che potrebbe servire a
modificare  le critiche qui rivolte alla pretesa interazione
 magnete - area della spira.
 
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Sono stato informato e mi si � dimostrato che la matematica da
tempo disponibile  e' in grado di calcolare con ottima
approssimazione cio' che poi l'oscilloscopio mostrera' come
indubitabile.  Ma io non padroneggio la matematica e percio' vorrei
un *modello fisico* del fenomeno.
 
Non e' solo una  questione tipo quella della *volpe e l'uva*,  il fatto �
che chi mi ha dimostrato di padroneggiare la matematica non aveva
previsto la tendenza a zero col filo in posizione 3 nel Primo test !!!
E' vero che poi grazie all'applicazione della matematica e' giunto
alla soluzione corretta,  ma questa non � una scusa, vuol dire
applicare a pappagallo un formula che non si � *fisicamente* capita.
 
Non ditemi che altri hanno capito: perche' allora la *legge di Faraday*
non � stata corretta? Per rispetto degli antichi? E come mai si possono
usare due leggi: oltre a quella Faraday, pure quella denominata *forza
di Lorentz* che porta a identici risultati?  Si tratterra' di due diverse
descrizioni matematiche di un fenomeno che pero' e' unico (se si e'
relativisti come lo era Galileo e forse Einstein). Ma se il fenomeno e'
unico deve esistere una *unica descrizione fisica*.  Dicono invece  che
di fronte ad un magnete in movimento ci sarebbe un *campo elettrico*,
assente pero' quando sono i fili a muoversi (e qui salta fuori la forza di
Lorentz). Su questa questione interviene pure Einstein con le sue
impostazioni relativistiche, ma io non le digerisco e amerei riuscire ad
immaginare un *modello fisico soddisfacente * (che non vuol dire
*vero*) valido per entrambe le situazioni, almeno fino a che non
riusciranno ad *osservare* la presenza (e l'assenza) del famigerato
*campo elettrico*.
 
A mio parere esiste solo il campo *elettromagnetico*  (potentissimo
quando ottenuto col neodimio, come attestano le mie unghie, a suo
tempo frequentemente schiacciate fra furiosi magneti).
 
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Magari qualcuno che conosce la matematica di Faraday, Lorentz,
Maxwell & Co e' in grado di tradurla in parole comprensibili per uno
che va alla ricerca di un modello fisico dell'induzione?
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Se nessuno risponde vedo se riesco a farmene un'idea da solo.
 
E' un fenomeno che posso *toccare con mano*. Quando lo statore �
*aperto* non faccio alcuna fatica a ruotare i magneti, ma se lo chiudo
(con un carico opportuno), devo metterci del bel sugo di gomito e
 divento subito rispettoso del Sig. Watt.  Se lo statore � montato
oscillante (cosa necessaria per misurare il rendimento) posso sentire
la coppia di reazione sullo statore: rotore e statore *si abbracciano*,
o meglio, non appena la corrente inizia a circolare, si genera un campo
magnetico che in qualche modo *si lega* con quello dei magneti.  
Fornendo sugo di gomito al rotore, il sugo si trasferisce agli elettroni
delle bobine grazie all'intreccio dei due campi magnetici.
Girando il rotore � come mettere in moto una puleggia collegata a tante
puleggine  piazzate negli elettroni delle bobine (perdonate il paragone).
 
La *Signora Induzione* non � altro che questo sistema di puleggie.
Facile a dirsi in forma metaforica, ma come � fatto il sistema?
Prima parlavo di un sistema magnete-filo simile al *pizzicare della
corda di una chitarra*: questo � la causa prima, gli elettroni verranno
posti in uno stato tale che se la bobina �, o se viene chiusa (in modo
che la corrente possa andare avanti e indietro) si crea un campo
magnetico che si abbraccia con quello dei magneti e succede il bel
casino che ho detto prima.
 
L'unica cosa che io posso tentare � cercare di ragionare osservando
la forma dell'onda all'oscilloscopio. Guardiamo ancora nel Primo test
la traccia col filo in pos. 1: l'intensita' e' massima col filo al 
centro del magnete (identificato dal rettangolino sotto la curva) e 
diminuisce rapidamente quando il filo si avvicina ai bordi del magnete 
stesso(in questo caso si allontana anche un po' mentre negli assiali e
nell'alternatore di Faraday resta alla stessa distanza e questo
spiegherebbe perche' la curva normalmente � meno *puntuta*).
 
Tutto questo mi porta ad escludere che siano le *linee di flusso* che
*tagliando* il filo generano tensione (come invece si legge in certi
manuali di costruzione degli alternatori assiali). Difatti se guardate
in fondo al Primo test, vedrete che il filo per circa 1/5 della
circonferenza, se ne sta sotto e non troppo lontano dal magnete.
A suo tempo ho verificato che l'intensit� magnetica sopra il polo
decade solo leggermente dal centro ai bordi del polo, quindi la curva
non potrebbe essere cosi' *a punta* se fossero le linee del campo a
*frustare* il filo. Certo sarebbe meglio osservare la curva generata
dalla grande spira in verticale schizzata copra l'alternatore assiale,
(ma non ce l'ho), credo tuttavia che il fatto sia ugualmente evidente.
 
Vengo dunque alla mia *proposta*.
 
In fondo a destra sempre in  
http://digilander.libero.it/gino333/faraday.jpg
 
c'� lo schizzo dell'alternatore assiale con le linee del campo magnetico
espresse come successione di punti di intensita' decrescente con la
distanza dal magnete. Supponete quindi che sopra ai magneti
ci sia una *nebbiolina* dove ogni *gocciolina* irraggia tutt'attorno e
con piu' forza quanto piu' � vicina al magnete. Supponete ora che cio'
che il filo della spira *sente* sia codesto *irraggiamento*:  non sarebbe
questo uno schema credibile visto cosa ci mostra l'oscilloscopio?
 
A occhio, quando il filo sfiora il centro del polo del magnete dovrebbe
ricevere il massimo di questo *irraggiamento*: si osservi l'animazione
in 
http://www.ntns.it/progetto_html/alternatore.htm
 
Magari chi padroneggia il calcolo potrebbe fare una simulazione
prendendo un numero adeguato delle ipotetiche *goccioline*.
 
Magari vi scappera' da ridere, ma che cosa sarebbe allora il famoso
*campo elettrico*? Sto' solo dicendo che � lui il colpevole, l'unica
differenza e' che lo accuso anche quando i magneti sono fermi
(portando via il lavoro alla *forza di Lorentz*). Beh, in realta' non e'
che io pensi a qualcosa di diverso di cio' che avvertiamo sopra il polo
di una calamita: penso proprio al normale campo elettromagnetico
non come un selva di linee di flusso, ma come una *nebbiolina
irraggiante* (e cosi' meritandomi l'inferno eterno).
 
Occhio pero' che non sarebbe questo *irraggiamento* a determinare
l'induzione, ma il fatto che ci sia moto relativo fra filo e irraggiamento
(cioe' rispetto al magnete) ... *come te movi te fulmino*  :-)  questo
perch� solo il movimento sposta il filo fra zone di diversa intensita'
magnetica. Ovvio che bisognerebbe dimostrare per via di calcolo che
pure con questa ridicola *proposta* se ne ricaverebbe un'onda non
peggiore di quelle ottenute con gli attuali metodi di calcolo.
 
Ma io mi devo fermare qui.
 
Avete finito di ridere?
 
Io non sono in grado di far calcoli e quindi non posso portare acqua
alla proposta, pero' posso segnalare un indizio.
 
Vi prego di osservare lo schizzo dove c'� una spira vicino a un nastro
magnetico che si ipotizza pure di poter chiudere a cerchio. Si sa che il
passaggio di una striscietta di qualche cm determinerebbe differenza
di potenziale, mente la stessa striscietta arrotolata in un cerchio posto
in rotazione presso la spira verrebbe bellamente ignorata.
 
Ovvio che nel primo caso, a parere della spira  ci dev'essere variazione
di campo magnetico e nel secondo no.
 
Chiarissimo che attorno ad un magnete anulare in rotazione non ci
possa essere variazione di campo magnetico, ma come fa la spira a
sapere che la striscietta diritta che la sfiora non � infinita?
 
A voi la sentenza.
 
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Dimenticavo. Non dubito che volendo sareste in grado di smontare la
*proposta* , pero' dovreste pure spiegare come mai la tensione tende 
a zero col filo in posizione 3 pur restando valida la legge di Faraday. 

 A voi la sentenza.
 
Come immaginavo sentenze non ne ho avute, ma anche il silenzio puo' essere
utile, ora credo d'aver capito quali test bisognerebbe fare per chiarirsi le
idee. Ho fatto un po' di scarabocchi:
 
http://digilander.libero.it/gino333/sfumature.jpg
 
 
Supponete di avere un nastro magnetico (coi + e - sulle due faccie) che
sfiora una grande spira disposta ortogonale al movimento. La spira �
molto grande in modo che gli altri tre lati della spira siano ben lontani
campo elettromagnetico. Nello schizzo a destra, dove si vede la spira
frontalmente, notate le linee del campo e la nebbiolina sfumata rosa
rappresenta il campo che investe il filo.
 
Negli altri schizzi si ipotizzano vari casi: vedere all'oscilloscopio
quando, dove e come si formano le onde, credo chiarirebbe le idee.
 
Direi basterebbe fare i test D E F per estenderli ad A B C (molto pi�
difficili da fare)
 
Magari qualcuno non ha bisogno di sperimentare per dire cosa succederebbe.