Fisica – Motori Elettrici

Fisica – Motori elettrici (14-16 anni)

1. Introduzione

 L’importanza del rame

Il rame è un eccellente conduttore elettrico. Per questa ragione è utilizzato in moltissime applicazioni elettriche, inclusi i motori elettrici. Utilizziamo i motori elettrici nelle nostre abitazioni, in giardino e sul lavoro. Ecco alcuni dei possibili impieghi dei motori elettrici:

Ascensore: un motore elettrico fa salire e scendere l’ascensore. Un altro aziona le porte.

Automobile: un’auto contiene vari motori elettrici. Il motorino di avviamento fa ruotare il motore a scoppio per metterlo in moto. Altri motori azionano i tergicristalli. Alcune auto sono dotate di motori elettrici per azionare i cristalli e anche gli specchietti laterali.

Treno elettrico: un treno elettrico è azionato da più motori.

In questa sezione analizzeremo il funzionamento dei motori elettrici e in che modo è possibile renderli più efficienti.

2. Come funziona un motore elettrico?

Che cosa si trova all’interno di un motore elettrico?

E’ possibile smontare un motore per vedere come è costruito.

Avvolgimento: è realizzato in filo di rame – in quanto il rame è un eccezionale conduttore. Il filo viene avvolto su di un indotto. Quando viene attraversato da una corrente, l’avvolgimento si comporta come un elettromagnete.

Indotto (o armatura): supporta la bobina e può contribuire a rendere l’elettromagnete più potente. In questo modo si aumenta anche l’efficienza del motore.

Magneti permanenti: esistono due tipi di magneti permanenti. Essi producono un campo magnetico permanente che fa girare la bobina quando questa viene attraversata da una corrente. Alcuni motori sono dotati di elettromagneti invece che di magneti permanenti. Questi elettromagneti sono costituiti da molteplici bobine in filo di rame.

Commutatore: ogni estremità della bobina è collegata ad una metà di un commutatore. Il commutatore scambia i contatti ogni mezzo giro.

Spazzole: le spazzole premono sul commutatore. Esse mantengono il contatto con il commutatore anche quando questo gira. La corrente entra ed esce dal motore attraverso le spazzole.

La struttura in acciaio: la struttura, costituita da un materiale magnetico, unisce i due magneti permanenti e li trasforma in un unico magnete a forma di ferro di cavallo. I motori industriali utilizzano spesso questi magneti a ferro di cavallo.

Come funziona?

Il motore è collegato ad un generatore. Quando l’interruttore è chiuso, la corrente comincia a fluire e la bobina si comporta come un elettromagnete. In questo caso la corrente fluisce in senso antiorario nella parte superiore della bobina. Questo trasforma la sommità della bobina in un polo nord. Questo polo nord è attratto dal polo sud sulla sinistra. Per questa ragione la parte superiore della bobina ruota verso sinistra. Si noti che la parte inferiore della bobina è un polo sud e come tale è attratta dal magnete sulla destra.

Una volta che la bobina si porta in posizione verticale, non è più soggetta ad alcuna forza di rotazione in quanto l’elettromagnete della bobina non è allineato con i magneti permanenti. Se la corrente nella bobina fosse costante, la bobina si fermerebbe in questa posizione. Tuttavia, per mantenerla in rotazione, il commutatore apre il contatto in questa posizione. Per questa ragione la corrente si interrompe per un istante. L’inerzia della bobina la mantiene in rotazione ed i contatti sono ricollegati, ma ora sono invertiti. Il lato della bobina che in precedenza era un polo sud ora è un polo nord.

Il commutatore continua a scambiare i contatti ogni mezzo giro (quando la bobina si trova in posizione verticale): in questo modo il motore continua a ruotare .

3. L’effetto motore

L’effetto motore elettrico è quello che fa girare un motore. Possiamo vederlo in azione su un pezzo di filo di rame.

La catapulta elettrica

Osservate l’immagine a sinistra, che mostra un pezzo di filo di rame su alcuni binari. Il pezzo di filo è posizionato fra i poli di un magnete. I binari sono collegati ad una alimentazione elettrica. Che cosa succede se forniamo la tensione?

Il filo viene catapultato a destra (immagine a destra). Il campo magnetico lo ha fatto spostare, ma soltanto quando il filo è attraversato da una corrente elettrica.

In quale direzione sono orientati i campi magnetici?

Il campo magnetico è orientato dal polo nord del magnete verso il suo polo sud. Si noti che la direzione del campo forma un angolo retto rispetto alla corrente. Questa disposizione produce la forza più intensa e fa muovere il filo verso l’esterno.

Una corrente in un filo posizionato ad angolo retto rispetto ad un campo magnetico produce una forza sul filo in questione.

 In che direzione si muove?

Il filo si muove perpendicolarmente sia rispetto al campo magnetico che alla corrente. Possiamo ricordarci in che direzione si muove utilizzando la regola del motore e della mano sinistra (regola di Fleming). Posizionate la vostra mano sinistra come mostrato nella immagine accanto. Le tre dita rappresentano le tre quantità riportate nella tabella seguente:

Indice = Campo
Medio = Corrente
Pollice = Movimento

Come viene fatta ruotare

Possiamo cercare di interpretare un motore nello stesso modo. Quando la corrente fluisce nella bobina:

  • un lato della bobina subisce una spinta verso l’alto
  • l’altro lato subisce una spinta verso il basso.

Insieme, queste due forze inducono la rotazione della bobina intorno al suo asse.

Quando commutare la corrente

Quando la bobina si trova in posizione verticale, non vi sono forze di rotazione che la fanno girare. Le due forze tentano di tirare i due lati della bobina verso l’esterno. A questo punto il commutatore scambia i contatti.

Se la bobina era già in fase di rotazione, la sua inerzia la porta in posizione verticale. Quando i contatti vengono riconnessi, il commutatore ha invertito la corrente. In questo modo il lato della bobina che in precedenza veniva tirato verso l’alto ora viene tirato verso il basso. E viceversa.

Per questa ragione la bobina continua a girare nella stessa direzione.

4. Come sfruttare al massimo l’energia

I motori elettrici si riscaldano durante l’uso, con un conseguente spreco di energia. Noi vogliamo che i motori servano a convertire l’energia elettrica in meccanica, non certo utilizzarli come caloriferi!

Trasferimenti di energia

Noi forniamo energia elettrica ad un motore elettrico. Un motore efficiente converte la maggior parte di questa energia in energia meccanica (lavoro utile). Soltanto una piccola frazione viene sprecata riscaldando l’ambiente circostante.

L’energia viene persa man mano che la corrente elettrica attraversa le bobine del motore. Le bobine di filo offrono una resistenza elettrica; tanto maggiore è la resistenza quanto più difficoltoso è il passaggio della corrente e maggiore lo spreco di energia.

Il rame è un buon metallo da utilizzare per le bobine di un motore in quanto:

  • offre una resistenza minore rispetto a quasi ogni altro metallo commerciale;
  • è facilmente trafilabile;
  • non è eccessivamente costoso;
  • resiste alle alte temperature;
  • è facilmente riciclabile una volta smantellato il motore.