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Il magnetismo e le macchine elettriche

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Il magnetismo Il magnetismo é la proprietà che hanno alcuni corpi, detti magneti o calamite, di attirare i materiali ferrosi. Vi sono magneti naturali, costituiti da frammenti di rocce contenenti magnetite, un minerale del ferro, ed artificiali, cioè costruiti dall'uomo. Un magnete, che può avere la forma di ferro di cavallo, di barra o di ago, possiede le seguenti caratteristiche: • L'azione magnetica é massima alle estremità, detti poli, e nulla al centro; • le due estremità si chiamano polo Nord e polo Sud e se si spezza un magnete si ottengono due calamite ognuna completa di polo Nord e polo Sud; il polo Nord é cosi chiamato perché, in qualsiasi posizione si tenga il magnete, esso si rivolge sempre verso il polo Sud magnetico della Terra, che é essa stessa un grande magnete; • avvicinando due magneti per poli dello stesso segno (Nord-Nord o Sud-Sud) essi si respingono e per poli di segno opposto (Nord-Sud o Sud-Nord) si attraggono; • é circondato da un campo magnetico, cioè lo spazio nel quale esso esercita la sua forza di attrazione, costituito da linee di forza, uscenti dal polo Nord e rientranti nel polo Sud, che si possono evidenziare sovrapponendo al magnete un cartoncino cosparso di limatura di ferro;

• il campo magnetico per un fenomeno, detto induzione magnetica, può magnetizzare un corpo metallico in esso immerso. I corpi costituiti da ferro dolce, quando vengono estratti dal campo magnetico, si smagnetizzano, cioè perdono le proprietà magnetiche, e sono quindi detti magneti temporanei; altri, costituiti da leghe dell'acciaio, le conservano indefinitamente e si chiamano magneti permanenti.


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L'induzione elettromagnetica Questo é il più importante di tutti i fenomeni che hanno a che fare con la corrente elettrica poiché l'induzione elettromagnetica é alla base del funzionamento dei generatori meccanici (dinamo ed alternatore), dei trasformatori, delle elettrocalamite ed in genere di tutte le apparecchiature elettriche. Per illustrare il fenomeno immaginiamo di avere un magnete nel cui campo magnetico poniamo un piccolo circuito elettrico formato da un conduttore collegato ad una lampadina. Se il circuito é fermo o si muove parallelamente alle linee di forza del campo magnetico del magnete non accade nulla, ma se esso si muove perpendicolarmente alle linee di forza la lampadina si accende poiché in esso scorre una debole corrente elettrica, detta «indotta». In tal caso infatti é la forza magnetica del magnete che provoca nel conduttore quel flusso di elettroni che definiamo corrente elettrica. La dinamo La dinamo é una macchina che produce corrente elettrica continua, cioè quel tipo di corrente che deriva da un movimento di elettroni diretto sempre nello stesso verso. La dinamo é costituita da tre parti fondamentali: l'induttore, formato da un magnete, che é la parte fissa ed é utilizzato per generare il campo magnetico; l'indotto, formato da un filo di rame isolato ed avvolto intorno ad un nucleo di ferro, che costituisce la parte mobile e che viene fatto ruotare meccanicamente; il collettore e le spazzole, il primo formato da due mezzi anelli metallici, cui sono collegati gli estremi del filo di rame, e le seconde da lamine poste a contatto con essi, che insieme costituiscono il dispositivo di raccolta della corrente elettrica indotta.

Funzionamento della dinamo Nella fase A l'indotto taglia verticalmente le linee di forza del campo magnetico e nel conduttore passa una corrente indotta diretta verso il polo positivo del circuito (spazzola «+»). L’intensità di tale corrente aumenta mentre il circuito si avvicina alla posizione verticale e raggiunge un primo picco di massimo quando tale posizione é raggiunta.


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Nella fase B l'indotto taglia invece orizzontalmente le linee di forza e nel conduttore non vi é quindi passaggio di corrente. L’intensità diminuisce mano a mano che si passa dalla posizione verticale a quella orizzontale e diviene nulla quando essa é raggiunta.

Nella fase C l'indotto taglia nuovamente le linee di forza del campo magnetico ed in esso si genera una corrente indotta il cui verso é sempre diretto verso il polo positivo (corrente continua). L’intensità della corrente aumenta con l'avvicinarsi dell'indotto alla posizione verticale e, quando essa é raggiunta, si ha un secondo picco di massimo.

Nella fase D infine l'indotto é nuovamente in posizione orizzontale, le linee di forza non vengono tagliate e non viene generata corrente. L’intensità diminuisce con l'avvicinarsi alla posizione orizzontale e diviene nuovamente nulla quando essa é raggiunta.


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Le dinamo possono produrre correnti di limitata tensione e quindi di potenza relativa, a causa della delicatezza del collettore. Inoltre sono di complessa costruzione, richiedono una frequente manutenzione e, producendo corrente continua, non permettono il trasporto della corrente a grande distanza e quindi sono adatte alle centrali elettriche.

Dinamo di una bicicletta


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L'alternatore L'alternatore é una macchina che trasforma l'energia meccanica in corrente elettrica alternata, che presenta la caratteristica di variare continuamente verso, in modo alterno ed ad intervalli regolari di tempo. L'andamento grafico di una corrente alternata ha la forma di una sinusoide; la semionda al di sopra della linea dello zero é detta cresta; quella che sta al di sotto avvallamento.

Una cresta ed un avvallamento formano un'onda completa, detta periodo. Il numero di periodi che un alternatore compie in un secondo é detto frequenza e si esprime in hertz (simbolo Hz). L'alternatore ha una struttura simile a quella della dinamo; sono infatti uguali l'induttore e l'indotto, ma differente il sistema di raccolta della corrente indotta. Infatti il collettore é formato da due anelli, separati ed isolati tra di loro, su cui poggiano le spazzole.

Funzionamento dell'alternatore Nella fase A l'indotto taglia verticalmente le linee di forza del campo magnetico e nel conduttore passa una corrente indotta diretta verso il polo


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positivo del circuito (spazzola «+»). L’intensità di tale corrente aumenta mentre il circuito si avvicina alla posizione verticale e raggiunge un primo picco positivo di massimo quando tale posizione é raggiunta.

Nella fase B l'indotto taglia invece orizzontalmente le linee di forza e nel conduttore non vi é quindi passaggio di corrente. L’intensità diminuisce mano a mano che si passa dalla posizione verticale a quella orizzontale e diviene nulla quando essa é raggiunta.

Nella fase C l'indotto taglia nuovamente le linee di forza del campo magnetico ed in esso si genera una corrente indotta il cui verso é però diretto verso il polo negativo (corrente alternata). L’intensità della corrente aumenta con l'avvicinarsi dell'indotto alla posizione verticale e, quando essa é raggiunta, si ha un secondo picco di massimo, ma negativo.


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Nella fase D infine l'indotto é nuovamente in posizione orizzontale, le linee di forza non vengono tagliate e non viene generata corrente. L’intensità diminuisce con l'avvicinarsi alla posizione orizzontale e diviene nuovamente nulla quando essa é raggiunta.

Puoi visualizzare dinamicamente il funzionamento di un alternatore (corrente elettrica alternata) e di una dinamo (corrente elettrica continua), cliccando sulla parola “generatore di forza elettromotrice”. L'elettrocalamita È formata da un conduttore, detto solenoide, avvolto in molte spire intorno ad una barra di ferro dolce. Le proprietà magnetiche perdurano finché nel conduttore circola la corrente elettrica e terminano allorché tale flusso cessa. L'elettrocalamita o elettromagnete é un dispositivo di importanza fondamentale per tutte le macchine elettriche e di particolari apparecchiature, come il telefono od il campanello elettrico.


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Il trasformatore È una macchina elettrica statica, cioè senza parti in movimento, che funziona solo con la corrente alternata. Esso permette di modificare le grandezze che determinano la potenza di una corrente permettendone il trasporto a grande distanza. Se, ad esempio, un alternatore di una centrale elettrica produce corrente a 10.000 V e 500 A la maggior parte della sua potenza si perde sotto forma di calore (resistenza) durante il trasporto lungo i cavi dell'alta tensione. Il trasformatore della centrale provvede allora a modificare tale corrente in una a 100.000 V e 50 A che a causa della bassa intensità può essere ora trasportata con minime perdite.

Un trasformatore é formato da un nucleo di ferro dolce su cui sono due avvolgimenti di filo di rame isolato indipendenti tra di loro e con diverso numero di spire. La corrente alternata entra nel primo avvolgimento, detto circuito primario, con una certa tensione ed esce dal secondo avvolgimento, detto circuito secondario, con una tensione diversa. Infatti essa é proporzionale al numero delle spire di ogni circuito. Il trasformatore funziona per l'effetto magnetico della corrente (circuito primario) e per l'induzione elettromagnetica (circuito secondario).


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Effetti della corrente elettrica L’elettricità, come sappiamo, é una forma di energia la cui natura peraltro é in gran parte ancora sconosciuta. Essa si manifesta sia come causa che come effetto di fenomeni termici, meccanici, chimici e biologici. Effetto magnetico È l'effetto che é alla base del funzionamento dell'elettrocalamita e che é stato scoperto per caso circa 200 anni fa. Nel 1819 infatti il fisico danese Oersted pose un filo elettrico parallelamente all'ago di una bussola. Appena vi fece circolare la corrente continua, presa da una pila di Volta, l'ago della bussola deviò bruscamente. Interrompendo la corrente l'ago tornava nella posizione normale. Era quindi chiaro che il filo elettrico si comportava come un magnete (esperienza di Oersted). Pochi anni dopo il fisico francese Ampère rifece la stessa esperienza con un solenoide, cioè un filo elettrico avvolto a spirale. La deviazione dell'ago della bussola era molto più accentuata poiché il solenoide generava un campo magnetico la cui intensità, proporzionale al numero delle spire, era molto più alta e le estremità del solenoide erano in grado di attirare piccoli oggetti di ferro (esperienza di Ampère). Un altro studioso, il francese Arago, provò infine ad inserire un nucleo di ferro dolce dentro il solenoide. Quando in esso circolava la corrente elettrica le estremità del nucleo riuscivano ad attirare grossi oggetti di ferro (esperienza di Arago). Era nata così l'elettrocalamita. Effetto chimico L'acqua pura é un cattivo conduttore di elettricità. Invece, quando nell'acqua sono sciolte altre sostanze (acidi o sali) si ottengono delle soluzioni che funzionano come buoni conduttori. Queste soluzioni si chiamano elettroliti perché la corrente elettrica che arriva ai due elettrodi genera un campo elettrico. Questo provoca il movimento degli atomi dell'elettrolito: quelli carichi positivamente (ioni positivi o cationi) migrano verso l'elettrodo negativo (catodo); quelli carichi negativamente (ioni negativi o anioni) verso l'elettrodo positivo (anodo). Tale effetto chimico della corrente elettrica viene sfruttato industrialmente per l'elettrolisi e la galvanostegia. La prima viene usata nell'industria chimica per scomporre sostanze complesse in elementi semplici e nell'industria metallurgica per estrarre i metalli dai loro minerali o per raffinarli. La seconda permette di ricoprire un metallo con un sottile strato di un altro metallo (zincatura, cromatura, nichelatura, ecc.). Effetto fisiologico La corrente elettrica, anche quella delle nostre case, che ha una tensione alquanto elevata (220 V) ed é alternata e quindi più pericolosa, ha effetti dannosi sul corpo umano. I danni dipendono, oltre che dall’intensità della corrente, dagli organi attraversati da essa e dalla resistenza che oppone il corpo umano al suo passaggio. La corrente attraversa il corpo poiché si dirige verso il pavimento che ha un potenziale nullo. Nei casi più gravi (valori maggiori di 0,05 A) la morte é provocata dal blocco dei muscoli del torace responsabili della respirazione, cioè per asfissia. Negli altri casi a seconda della gravità della folgorazione si hanno disturbi alla respirazione, alterazioni


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del battito cardiaco, sensazioni dolorose diffuse ed un generale senso di disagio. Gli effetti dannosi della corrente elettrica negli ambienti domestici possono essere prevenuti con l'impianto di messa a terra e con gli interruttori salvavita. Effetto meccanico Gli effetti dell'induzione elettromagnetica sono reversibili, cioè un conduttore, libero di muoversi ed immerso in un campo magnetico, quando in esso circola la corrente elettrica si muove a causa di una forza generata dal campo magnetico stesso. Tale principio é alla base di tutti i motori elettrici, che sostanzialmente sono delle dinamo o degli alternatori, per tal motivo definiti macchine reversibili, ai cui indotti viene fornita corrente elettrica. I motori elettrici, che costituiscono l'elemento base della maggior parte degli apparecchi che funzionano con la corrente elettrica, sono quindi dispositivi capaci di trasformare l'energia elettrica in energia meccanica. Effetto termico Come sappiamo la corrente elettrica, quando attraversa un conduttore, incontra un ostacolo che si definisce resistenza. Tale fenomeno, dannoso per il trasporto della corrente, é invece molto utile in quanto attraverso l'uso di cattivi conduttori, quali tungsteno e nichelcromo, si può ottenere luce o calore in modo semplice e pulito. La formula Q = I2 x R x T permette di calcolare la quantità di calore Q prodotta da una corrente di intensità I che attraversa per il tempo T un conduttore la cui resistenza é R. Come si può notare l’intensità della corrente, poiché é elevata al quadrato, agisce da moltiplicatore sull'effetto termico. Sulla componente luminosa dell'effetto termico si basano le comuni lampade ad incandescenza (lampadina) nelle quali un sottile filamento di tungsteno, racchiuso in un'ampolla di vetro priva d'aria e riempita di gas inerte (argo o azoto), quando é percorso dalla corrente elettrica si riscalda per effetto della resistenza a temperatura elevatissima (2.500 °C) e diventa luminoso. Le lampade al neon sono invece dei tubi di vetro, nei quali é contenuto un gas, il neon, molto rarefatto. Gli elettrodi, sistemati alle estremità del tubo, producono una scarica elettrica che genera col gas un flusso luminoso. Queste lampade, che possono essere costruite di qualsiasi forma e colore, consumano poca energia e sono quasi prive di effetti termici. L'effetto termico vero e proprio della corrente elettrica in ambito domestico viene sfruttato, per mezzo delle cosiddette «resistenze», in asciugacapelli, tostapane, scaldabagni, ferri da stiro, lavatrici, lavastoviglie, stufe e forni. In ambiente industriale invece esso é usato per la saldatura ad arco ed in diversi tipi di forni elettrici


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Produzione dell'energia elettrica La corrente elettrica viene prodotta in grandi installazioni industriali dette centrali elettriche. Esse, in base al tipo di energia che trasformano, possono essere idroelettriche, termoelettriche, geotermiche, a turbogas o elettronucleari. In ogni caso la corrente elettrica é sempre prodotta da un alternatore il cui indotto é collegato all'asse di una turbina. Centrali idroelettriche L'energia potenziale di grandi masse d'acqua accumulate in un bacino, ottenuto sbarrando il corso di un fiume con una diga, si trasforma in energia cinetica allorché l'acqua viene fatta precipitare attraverso una condotta forzata. Alla fine della corsa essa urta le pale della turbina trasformando l'energia cinetica in energia meccanica e facendo ruotare l'asse della turbina stessa cui é collegato l'indotto del generatore elettrico. Centrali termoelettriche In questo tipo di centrale il vapore prodotto da una caldaia, alimentata da carbone o olio combustibile, fa muovere le pale della turbina che é collegata all'alternatore. Il vapore viene poi raffreddato nel condensatore e l'acqua recuperata ritorna nella caldaia. Centrali geotermiche Il vapore necessario a muovere la turbina é quello proveniente dal sottosuolo per il contatto delle acque sotterranee con rocce molto calde che ne provocano l'evaporazione. Centrali a turbogas Le centrali a turbogas sfruttano lo stesso principio di propulsione degli aerei a reazione. Esse infatti sono costituite essenzialmente da un compressore, da una camera di combustione e da un gruppo turboalternatore coassiale con il compressore. L'aria aspirata dall'atmosfera viene compressa dal compressore ed inviata alla camera di combustione; in questa la combustione di gasolio o di gas metano trasferisce il calore all'aria ed ai gas di combustione. Questa miscela, sempre compressa, viene infine inviata alla turbina. Centrali elettronucleari Le centrali elettronucleari utilizzano il calore prodotto dalla fusione controllata dell'uranio e prelevato dai reattori nucleari per mezzo del liquido refrigerante. Con tale calore una caldaia produce poi il vapore necessario al funzionamento della solita turbina.


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Trasporto dell'energia elettrica La corrente elettrica prodotta nelle centrali elettriche dagli alternatori, generalmente ad una tensione di circa 5.000 V, viene inviata a trasformatori che provvedono ad elevarne la tensione fino anche a 250.000 V. Con tali voltaggi la corrente viaggia lungo un elettrodotto, formato da conduttori in rame o alluminio o acciaio sorretti da tralicci metallici od in cemento armato attraverso isolanti di porcellana o di vetro. Giunta in prossimità dei luoghi di utilizzazione dei trasformatori riduttori ne abbassano di nuovo la tensione a circa 3.000 V e successivamente altri piccoli trasformatori locali la riducono definitivamente ai 220 V con cui essa giunge alle nostre case.

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