Solenoide, il funzionamento e le applicazioni

I solenoidi sono dispositivi elettromagnetici composti da una bobina di filo conduttore avvolta a spirale attorno a un nucleo di materiale ferromagnetico, come ferro o acciaio. Quando viene applicata una corrente elettrica alla bobina, si genera un campo magnetico all’interno del solenoide.

Il campo magnetico generato da un solenoide è simile a quello prodotto da un magnete permanente. Il campo magnetico è più intenso e quasi uniforme all’interno del solenoide e si attenua man mano che ci allontaniamo da esso ed è simile al campo di una barra magnetica avente un polo nord a un’estremità e un polo sud all’altra a seconda della direzione del flusso di corrente.

Uno dei primi scienziati ad aver contribuito alla comprensione dei solenoidi è stato Hans Christian Ørsted, un fisico danese, che nel 1820 osservò che una corrente elettrica in un filo produce un campo magnetico intorno ad esso. Questa scoperta gettò le basi per la comprensione dell’interazione tra elettricità e magnetismo.

Successivamente, André-Marie Ampère, un fisico e matematico francese, sviluppò ulteriormente la teoria elettromagnetica e introdusse il concetto di spirale elettrica, che può essere considerato una forma primitiva di solenoide.

Michael Faraday, un altro importante fisico e chimico britannico, svolse ricerche fondamentali nel campo dell’elettromagnetismo nel XIX secolo. Contribuì alla comprensione del fenomeno dell’induzione elettromagnetica, che è alla base del funzionamento dei solenoidi. Faraday infatti notò che quando muoveva un magnete permanente dentro e fuori da una bobina o da un singolo anello di filo, questo induceva una forza motrice e quindi veniva prodotta una corrente.

Campo magnetico all’interno dei solenoidi

Quando una corrente continua passa attraverso un lungo conduttore rettilineo, attorno ad esso si sviluppa un campo magnetico statico che è un campo vettoriale generato nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico che varia nel tempo.

Se il filo è avvolto in una bobina, il campo magnetico viene notevolmente intensificato producendo un campo magnetico statico attorno a sé stesso formando delle linee di campo che escono dal polo nord ed entrano nel polo sud in modo del tutto analogo alle linee di campo elettrico che escono dalle cariche positive puntando verso quelle negative.

Il flusso magnetico sviluppato attorno alla bobina è proporzionale alla quantità di corrente che scorre nelle spire delle bobine. Se ulteriori strati di filo vengono avvolti sulla stessa bobina con la stessa corrente che scorre attraverso di essi, l’intensità del campo magnetico statico aumenta.

Il campo magnetico di un solenoide può essere derivato usando la legge di Ampere. Questa legge fornisce una relazione matematica tra il campo magnetico e la corrente che scorre attraverso un conduttore secondo cui l’integrale della densità del campo magnetico (B) lungo un percorso immaginario è uguale al prodotto della permeabilità dello spazio libero e della corrente racchiusa dal percorso.

dove I ^enc è la corrente netta che attraversa la superficie specificata dal percorso chiuso, spesso nota come “corrente contenuta” del percorso.

μ_o è la permeabilità dello spazio libero, che è una costante sempre uguale a 1.257 ·10^-6 .

Il campo magnetico all’interno dei solenoidi è dato da:
B = µnI

Dove:
µ è la permeabilità del nucleo metallico
I è la corrente che passa attraverso il solenoide
n è il numero di spire della bobina per unità di lunghezza o densità di spire

Se il mezzo è assente il campo magnetico all’interno dei solenoidi è dato da:
B = µ₀nI
dove µ₀ è la permeabilità nell’aria o nel vuoto

Questa equazione  vale per un solenoide infinitamente lungo. Per un solenoide di lunghezza finita, l’equazione può essere scritta come:
B = µNI/L

Dove:

N è il numero totale di giri del solenoide
L la lunghezza del solenoide
N/L = n è la densità delle spire

Pertanto il campo magnetico all’interno dei solenoidi è proporzionale al numero di spire o densità di spire e alla corrente e non dipende dalla distanza dall’asse.

Applicazioni dei solenoidi

I solenoidi sono dispositivi utilizzati in una vasta gamma di applicazioni grazie alle loro proprietà elettromagnetiche e spaziano in vari settori, dai semplici dispositivi di bloccaggio al funzionamento laser veloce, ai riduttori automobilistici, ai meccanismi di rilascio aerospaziale e ai dispositivi di bloccaggio medicali fino ai deviatori industriali.

I solenoidi sono comunemente impiegati nelle elettrovalvole, che controllano il flusso di fluidi come acqua, gas o olio in vari sistemi, come impianti di irrigazione, sistemi di riscaldamento o sistemi di controllo industriale.

Possono essere utilizzati come dispositivi di bloccaggio e sicurezza, ad esempio nelle casseforti o negli armadietti di sicurezza. L’energizzazione del solenoide consente il rilascio del meccanismo di bloccaggio, consentendo l’apertura del dispositivo solo a chi possiede la corretta combinazione o chiave.

Vengono utilizzati per azionare chiusure elettriche come serrature e porte automatiche. Quando viene applicata una corrente elettrica al solenoide, genera un campo magnetico che sposta un perno o un meccanismo di bloccaggio, consentendo l’apertura o la chiusura di una porta o di un’apertura

I solenoidi vengono spesso impiegati come attuatori per convertire un segnale elettrico in un movimento lineare o rotativo. Ad esempio, possono essere utilizzati per attivare meccanismi di cambio marcia in veicoli, regolare le valvole di scarico dei motori o attivare dispositivi di controllo in macchinari industriali.