Motori e generatori

Un filo lungo 5 cm percorso da 20 A, disposto trasversalmente a un campo di 1.5 T, subisce una forza di 1.5 N. Applica questa idea a una spira per farla ruotare e ottieni un motore.

Il campo magnetico esercita una forza sulla corrente

Nell'unità 4 abbiamo visto che la corrente genera un campo magnetico. In un certo senso vale anche il contrario: un campo magnetico esercita una forza sulla corrente. La forza su un filo rettilineo di lunghezza l, percorso da corrente I in un campo uniforme B, è F = I l B sin θ, dove θ è l'angolo tra filo e campo. La forza è massima quando il filo è perpendicolare al campo e nulla quando è parallelo. È perpendicolare sia al filo sia al campo; la regola della mano destra 1 di OpenStax ne indica il verso.

OpenStax svolge un esempio con un campo intenso: B = 1.50 T, un filo lungo 5.00 cm e una corrente di 20.0 A. Poiché sin 90° = 1, F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, circa il peso di una mela di 150 g. È una spinta apprezzabile su un breve tratto di filo. Mostra anche da dove viene il tesla: 1 T è il campo in cui un filo lungo 1 m, percorso da 1 A, subisce una forza di 1 N.

Dalla spinta alla rotazione: il motore elettrico

Metti una spira rettangolare tra i poli di un magnete e falla percorrere da corrente. Su un lato la corrente scorre in un verso, sul lato opposto nell'altro: i due lati subiscono quindi forze opposte. La spira ruota. Se nulla cambiasse, oscillerebbe fino a fermarsi orientata verso il campo, perciò un motore inverte la corrente ogni mezzo giro. In un motore a corrente continua lo fanno un commutatore ad anello diviso e le spazzole, così la spira continua a ruotare nello stesso verso finché passa corrente. Il momento torcente cresce con il numero di spire: OpenStax calcola che una bobina quadrata con 100 spire, lato di 10.0 cm e corrente di 15.0 A, in un campo di 2.00 T, subisce un momento torcente massimo di 30.0 N·m, sufficiente per l'impiego in un motore. La tabella dei rendimenti di OpenStax assegna ai motori elettrici circa il 98 per cento, molto più dei motori che bruciano combustibile.

Trasformare di nuovo il movimento in elettricità

Se una corrente in un campo può produrre movimento, il movimento in un campo può produrre corrente? Michael Faraday dedicò anni a questa domanda. Il 29 agosto 1831, nel suo laboratorio sotterraneo alla Royal Institution di Londra, avvolse due bobine sui lati opposti di un anello di ferro. Quando collegò una batteria a una bobina, un ago collegato all'altra ebbe un breve scatto, poi si fermò. Scollegando la batteria, l'ago scattò nel verso opposto. Una corrente costante nella prima bobina non aveva effetto sulla seconda: serviva una variazione. La Royal Institution, che conserva ancora l'anello, lo descrive come il primo trasformatore elettrico.

È l'induzione elettromagnetica: un campo magnetico variabile attraverso una bobina produce una tensione, detta forza elettromotrice indotta. Spingi una calamita a barra dentro una bobina: lo strumento collegato devia in un verso; estraila e devia nell'altro; tienila ferma e segna zero. Muovila più velocemente e la lettura aumenta. OpenStax identifica la grandezza fondamentale nel flusso magnetico, Φ = B A cos θ: il campo moltiplicato per l'area della spira attraversata. Qualunque variazione del flusso induce una forza elettromotrice, sia che cambi il campo, che cambi l'area o che ruoti la spira.

Un generatore sfrutta questo principio in una macchina. Una bobina ruota tra magneti: l'angolo θ, e quindi il flusso, continua a cambiare e ai suoi capi compare una tensione alternata. Un generatore è costruito quasi esattamente come un motore: nel motore l'energia elettrica diventa rotazione, nel generatore la rotazione diventa energia elettrica. Turbine azionate da vapore, acqua in caduta o vento fanno ruotare i generatori che forniscono gran parte dell'elettricità delle nostre case.