Legge di Lenz

La legge di Lenz, formulata dal fisico russo Emilij Kristianovic Lenz nel 1834, afferma che la direzione della corrente indotta in un conduttore da un campo magnetico variabile è tale che il campo magnetico creato dalla corrente indotta si oppone al campo magnetico variabile iniziale che l’ha prodotta.

La legge di Lenz, unitamente alla legge di Faraday, sono relative al modo in cui un campo magnetico variabile interagisce con un circuito conduttore. La legge di Faraday infatti mette in relazione l’entità della forza elettromotrice indotta con la velocità di variazione del campo magnetico inducente mentre la legge di Lenz stabilisce la direzione di una corrente indotta.

Gli esperimenti di Faraday avevano dimostrato che la forza elettromotrice f.e.m. indotta da una variazione del flusso magnetico è direttamente proporzionale alla variazione del flusso ΔΦ espresso in weber (Wb) . Inoltre la f.e.m. è maggiore quando la variazione nel tempo Δt è minima, ovvero la f.e.m .è inversamente proporzionale a Δt.

Se una bobina ha N spire, verrà prodotta una f.e.m. che è N volte maggiore di quella di una singola bobina, quindi la f.e.m. è direttamente proporzionale a N. L’equazione per la f.e.m. indotta da una variazione del flusso magnetico è:

f.e.m. = – N ΔΦ/Δt

Questa equazione è detta legge dell’induzione di Faraday in cui il segno – indica il verso della f.e.m. che è espressa in Volt (V). La direzione data dal segno meno della f.e.m. è così importante che viene chiamata legge di Lenz.

La corrente indotta si oppone al cambiamento del flusso magnetico che la produce e pertanto quando il polo nord di un magnete si avvicina o si allontana dal circuito, verrà creato un campo elettromagnetico con polarità tale che la corrente indotta nel circuito creerà un campo magnetico che si oppone al campo magnetico variabile del magnete.

Legge di Lenz e conservazione dell’energia

Sebbene il verso della f.e.m. possa essere ricavato da un’analisi formale della legge di Faraday, esso può essere ricavato dal principio di conservazione dell’energia. Per rispettare la legge di conservazione dell’energia, la direzione della corrente indotta tramite la legge di Lenz deve creare un campo magnetico che si opponga al campo magnetico che lo ha creato. La direzione di questo campo magnetico indotto è determinata dalla regola della mano destra.

Si supponga che la corrente non si opponga al campo magnetico del magnete. Secondo questa ipotesi il campo magnetico indotto sarebbe nella stessa direzione del campo magnetico induttore. Questi due campi magnetici quindi si sommerebbero e creerebbero un campo magnetico più grande.

Quest’ultimo indurrebbe un’altra corrente nella bobina pari a due volte l’intensità della corrente originale. Questa corrente indotta genererebbe un altro campo magnetico e il processo continua. Pertanto, un ciclo infinito di correnti indotte e campi magnetici violerebbe la legge di conservazione dell’energia.

Applicazioni

La legge di Lenz ha una vasta gamma di applicazioni nel campo dell’ingegneria elettrica come nel caso della progettazione e del funzionamento di generatori e motori. In un generatore, il movimento di una bobina all’interno di un campo magnetico induce una corrente nella bobina. In un motore, la corrente che scorre attraverso la bobina crea un campo magnetico che fa ruotare la bobina.

Trova utilizzo anche nella progettazione e nel funzionamento dei trasformatori. Un trasformatore è un dispositivo elettrico funzionante in corrente alternata e basata sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica che modifica la tensione di una corrente alternata. La corrente indotta nelle bobine del trasformatore viene utilizzata per aumentare o diminuire la tensione.

La legge di Lenz è utilizzata anche nella progettazione e nel funzionamento di sistemi a levitazione magnetica. Un sistema di levitazione magnetica utilizza un campo magnetico per far levitare un oggetto. La corrente indotta che scorre attraverso l’oggetto crea un campo magnetico che si oppone alla gravità, facendo levitare l’oggetto.

È usata nella progettazione e nel funzionamento dei freni a correnti parassite. Un freno a correnti parassite è un dispositivo che utilizza un campo magnetico per rallentare o fermare un oggetto in movimento. La corrente indotta che scorre attraverso l’oggetto crea un campo magnetico che si oppone al movimento dell’oggetto, provocandone il rallentamento o l’arresto.

I treni elettrici sfruttano la legge di Lenz per generare la potenza necessaria per muoversi. Il movimento delle ruote del treno all’interno di un campo magnetico induce una corrente nelle bobine del treno, che viene poi utilizzata per alimentare i motori del treno.

Di grande interesse nella diagnostica medica è la Risonanza Magnetica Nucleare che fornisce immagini dettagliate del corpo umano utilizzando campi magnetici, prodotti da un grande magnete. La macchina utilizza un campo magnetico per allineare gli spin nucleari degli atomi nel corpo, quindi utilizza impulsi a radiofrequenza per far sì che gli atomi emettano un segnale che può essere utilizzato per creare un’immagine.