ELETTROMAGNETISMO E MOTORE ELETTRICO

Con una serie di esperimenti elementari arriviamo progressivamente a costruire un motore elettrico.

MAGNETI PERMANENTI

Un magnete permanente, ovvero una calamita, presenta almeno 2 poli, uno positivo detto nord ed uno negativo detto sud. A seconda di come vengono costruite il numero di poli può variare ma il numero totale dei poli di una calamita sarà sempre multiplo di 2. In pratica in ogni calamita avremo sempre un numero uguale di poli nord e sud.

Un magnete permanente a due poli ha due caratteristiche essenziali:

– emette un campo magnetico positivo dalla faccia + ed un campo magnetico negativo da quella -,

– presenta caratteristiche ferromagnetiche, cioè è in grado di attrarre il ferro.

Nell’esperimento vediamo l’effetto dell’interazione fra campi magnetici, avviciniamo due magneti e notiamo che poli dello stesso segno si respingono mentre poli di segno opposto si attraggono. Sul web qualche genio nell’intento di ottenere una calamita tutta + ed una tutta -, ha segato in due un magnete. Spero nel frattempo che si sia accorto che entrambe sono di nuovo bipolari…

MAGNETI PERMANENTI

IL SOLENOIDE

Con questo apparecchio, costituito da una serie di spire di filo di rame isolato, vediamo come è possibile generare un campo magnetico del tutto identico a quello generato da un magnete permanente. Una corrente continua che percorre il solenoide genera un campo magnetico negativo sull’estremità collegata al filo + della corrente ed un campo magnetico positivo sull’estremità collegata al filo – della corrente. Il campo magnetico generato dal solenoide interagisce con quello generato da un magnete permanente mobile posto nelle vicinanze, spostandolo.

SOLENOIDE

L’ELETTROMAGNETE

Ma ciò che il solenoide è in grado di fare è generare un campo magnetico, non è in grado invece di attirare il ferro. Per trasformarlo in una vera e propria calamita elettrica basta inserirvi all’interno un pezzo di ferro. Facendo passare corrente nel solenoide il ferro all’interno diventa ferromagnetico. L’effetto termina quando cessa il passaggio di corrente. Ecco quindi realizzata l’elettrocalamita o elettromagnete.

ELETTROMAGNETE

CREIAMO UN MOVIMENTO DALL’INTERAZIONE DEI CAMPI MAGNETICI

Costruiamo ora un solenoide piatto, una matassa piatta, anche in questo caso inviando corrente produrremo campi magnetici di segno opposto sulle due facce. Immergiamo la matassa in un campo magnetico prodotto da due magneti permanenti opposti che si guardano con le facce di segno opposto. Facciamo in modo che la matassa possa ruotare sul suo asse di mezzeria. Colleghiamo la matassa alla corrente elettrica continua e vedremo che questa ruoterà fino a disporre le sue facce parallelamente a quelle dei magneti permanenti, nella sequenza “magnete+ matassa/lato- matassa/lato+ magnete-“. La matassa rimarrà ferma in questa posizione finché sarà percorsa da corrente.

Se invece di collegare i fili elettrici in modo stabile alla matassa facciamo in modo che questa riceva corrente solo quando la matassa si trova con le facce disposte perpendicolarmente a quelle dei magneti, otterremo la rotazione. La matassa in orizzontale fra 2 magneti opposti verticali riceve corrente, immediatamente produce campi magnetici di segno opposto sulle sue facce. La faccia + della matassa verrà attratta dalla faccia – del magnete permanente, mentre la faccia – della matassa sarà attratta dalla faccia + del magnete permanente. Quindi la matassa inizierà a ruotare per portare le sue facce in posizione parallela a quelle dei magneti ma appena iniziata la rotazione non riceverà più corrente. Continuerà quindi per inerzia la sua rotazione fino a compiere un giro di 180° rispetto alla sua posizione di partenza. Solo in quel momento riceverà di nuovo corrente che darà luogo ad un’altra rotazione di 180° e così di seguito.

IL MOTORE ELETTRICO IN CC

Un elementare motore elettrico in corrente continua si realizza assemblando varie matasse sullo stesso asse di rotazione, nell’esperimento abbiamo 3 matasse disposte a 60°, quindi 6 fili elettrici terminali. I fili vengono collegati ad una contattiera solidale all’asse di rotazione che prende il nome di “collettore”. L’insieme delle matasse, del collettore e dell’asse di rotazione (albero motore) costituisce il “rotore” del nostro motore. Il collegamento elettrico al collettore avviene con 2 contatti elettrici detti “spazzole” (nei motori veri sono realizzate in grafite). Il rotore viene immerso in un campo magnetico prodotto da 2 magneti permanenti. L’insieme dei magneti permanenti e delle spazzole costituisce lo “statore” del nostro motore. Non resta che dare corrente e vederlo girare fra atroci scintille.

MOTORE ELETTRICO IN CC

L’USO INVERSO DEL MOTORE IN CC

Abbiamo visto quindi come con un solenoide (o matassa) la corrente elettrica può essere trasformata in campo magnetico, ma è anche possibile fare il contrario, ovvero trasformare un campo magnetico in corrente elettrica. Per far questo però è necessario che ci sia un movimento, ovvero che la matassa si muova rispetto al magnete permanente, oppure che il magnete rimanga fermo e si muova la matassa. In condizioni statiche non si produce nulla. Nell’ultimo esperimento del filmato colleghiamo un galvanometro al motore elettrico e ruotiamo manualmente il rotore, cioè le matasse rispetto ai magneti permanenti. Produrremo una debole corrente che sarà rilevata dal galvanometro, quindi apriamo la strada alla costruzione di un generatore, che sarà oggetto di un altro interessante esperimento.

CONSIDERAZIONI TECNICHE

Questo motore vuole essere solo una dimostrazione del funzionamento di un motore in corrente continua, dove sono evidenti ma volute le numerose anomalie costruttive. Le matasse devono essere realizzate con molte spire di filo di sezione adeguata ed avvolte su pacchi di lamierino di ferro per accrescere la forza del motore. Le spazzole devono essere di carbone e non di rame, per limitare i fenomeni ossidativi che sono il principale problema di questo tipo di motore. I magneti permanenti dello statore dovrebbero essere curvi ed accoppiarsi strettamente al rotore, più ci si allontana è più il campo magnetico ed il rendimento diminuiscono. Insomma questi ed altri non elencati sono i limiti di questa macchina che vuole avere solo un carattere formativo didattico.

ATTENZIONE

Vi invito durante la sperimentazione a fare attenzione all’uso della corrente elettrica, ponendo in essere tutti quegli accorgimenti atti ad annullare i rischi di folgorazione. Ma anche nella manipolazione di banali, ed all’apparenza innocui, magneti permanenti. I magneti in ferrite che vedete nel filmato sono ricavati da altoparlanti di vecchia generazione, caratterizzati da una bassa forza di attrazione, quelli più grossi (10-15 cm di diametro, che montano i coni da 40-50 cm) sono in grado di pizzicare lembi di pelle se non maneggiati con cautela. Oggi sono in circolazione magneti al neodimio molto potenti, utilizzati negli altoparlanti e negli hard disk da computer. Già con questi piccolissimi magneti da hard disk ci si può far molto male alle dita, ma nulla in confronto alla forza esercitata da magneti più grossi che possono arrivare con 4 cm di diametro ad esercitare una forza di attrazione di 50 kg. Lasciaci un dito in mezzo che poi smetti di ridere. Quindi okkio!!!