Introduzione
I ruoli del rame
Il rame è un ottimo conduttore elettrico. Per questo motivo è usato in molte applicazioni elettriche - compresi i motori elettrici.
Usiamo i motori elettrici a casa, nel giardino e al lavoro. Riportiamo di seguito alcuni posti in cui vengono usati i motori elettrici:
• Un ascensore elettrico: un motore elettrico muove l’ascensore verso l’alto e verso il basso. Un altro aziona le porte.
• Un’auto: le auto hanno diversi motori elettrici. Il motorino di avviamento fa girare il motore a benzina per farlo andare. Altri motori azionano i tergicristalli. Alcune auto hanno motori elettrici per i finestrini e anche per gli specchietti laterali.
• Un treno elettrico: un treno elettrico è dotato di un motore potente che lo aziona.
In questa sezione, esamineremo come funzionano i motori elettrici e come possono essere resi efficienti.
Che cosa fa girare un motore?
Guardiamo dentro
Possiamo prendere un motore per vedere come è fatto. All’interno, troverete le seguenti componenti:
• Bobina: La bobina è di filo di rame in quanto ottimo conduttore. È avvolta intorno ad un’armatura. La bobina diventa un elettromagnete quando attraversata da corrente.
• Armatura: L’armatura supporta la bobina e aiuta a rafforzare l’elettromagnete. Questo rende il motore più efficiente.
• Magneti permanenti: Vi sono due magneti permanenti. Producono un campo magnetico costante in modo che la bobina giri quando la corrente la attraversa. Alcuni motori hanno elettromagneti invece di magneti permanenti, costituiti da più bobine di filo di rame.
• Commutatore:Ciascuna estremità della bobina è collegata ad una delle due metà del commutatore. Il commutatore scambia i contatti ogni mezzo giro.
• Spazzole: Le spazzole spingono sul commutatore. Mantengono il contatto con il commutatore anche se gira su se stesso. La corrente entra ed esce dal motore attraverso le spazzole.
• Stampo di acciaio: Lo stampo di materiale magnetico lega i due magneti permanenti e, di fatto, costituisce un unico magnete a forma di ferro di cavallo. I motori commerciali usano spesso un magnete a ferro di cavallo.
Come funziona?
Il motore è collegato ad una batteria. Quando l’interruttore è chiuso, la corrente inizia a scorrere e la bobina diventa un elettromagnete. In questo caso, la corrente scorre in senso antiorario nell’estremità superiore della bobina. L’estremità diventa così un polo nord. Questo polo nord è attirato dal polo sud sulla sinistra. L’estremità della bobina gira così verso sinistra. Notate che la parte inferiore della bobina è un polo sud ed è attratta verso il magnete a destra.
Quando la bobina raggiunga la posizione superiore, non vi è forza di girata perché l’elettromagnete della bobina è allineato con i magneti permanenti. Se la corrente nella bobina fosse costante, la bobina si fermerebbe in questa posizione. Tuttavia, per farla girare, il commutatore interrompe il contatto in questa posizione. La corrente si ferma quindi per un istante. Nel momento in cui la bobina continua ad andare, i contatti sono ricollegati ma girano nell’altro senso. Quindi, il lato della bobina che era solito essere un polo sud diventa ora un polo nord.
Il commutatore continuerà a girare i contatti ogni mezzo giro (quando la bobina si trova nella posizione superiore). In questo modo, il motore continua a girare.
L’Effetto Motore
L’effetto del motore elettrico è quello che fa girare un motore. Possiamo vederlo in azione in un solo pezzo di filo di rame.
Catapulta elettrica
Osservate la figura. Mostra un pezzo allentato di filo di rame su alcune guide. Il pezzo allentato si trova fra i poli di un magnete. Le guide sono collegate ad un’alimentazione elettrica. Che cosa succede se attiviamo il voltaggio?
Il filo viene catapultato verso destra. Il campo magnetico lo ha fatto girare ma solo in presenza di corrente elettrica nel filo.
In che modo si guardano?
Il campo magnetico si dirige dal polo nord del magnete verso il polo sud. Notate che il campo è ad angolo retto rispetto alla corrente. Questa disposizione produce la forza maggiore e fa muovere il filo verso l’esterno.
Una corrente in un filo ad angoli retti rispetto ad un campo magnetico produce una forza nel filo.
In quale direzione si muove?
Il filo si muove ad angoli retti verso il campo magnetico e la corrente. Dobbiamo ricordare in che modo si muove utilizzando la “Fleming's Left Hand Motor Rule”. Disponete la parte sinistra come quella nel diagramma. Le tre cifre rappresentano le tre quantità come mostrato.
• Primo dito = Campo
• Secondo dito = Corrente
• Pollice = Movimento
Farlo girare
Possiamo capire un motore nello stesso modo. Quando la corrente scorre intorno alla bobina:
• un lato della bobina avverte una spinta verso l’alto
• l’altro una spinta verso il basso.
Queste due forze, insieme, fanno girare la bobina intorno al suo asse.
Quando cambiare corrente
Quando la bobina si trova nella posizione superiore, non vi è alcuna forza rotante che la spinge. Le due forze cercano di tirare i due lati della bobina verso l’esterno. A questo punto, il commutatore inverte i contatti.
Se la bobina sta già girando, la sua forza la porterà nella posizione superiore. Quando i contatti sono ricollegati, il commutatore inverte la corrente. Di conseguenza, il lato della bobina che veniva prima tirato verso l’alto viene ora tirato verso il basso. E vice versa.
La bobina continua quindi a girare nella stessa direzione.
Ricavare il Massimo di Energia
I motori elettrici diventano caldi quando usati e questo rappresenta uno spreco di energia. Vogliamo che i motori azionino le cose, non vogliamo usarli come radiatori!
Trasferimenti di energia
Forniamo energia elettrica ad un motore elettrico. Un motore efficiente trasferisce la maggior parte di questa energia come energia cinetica (lavoro utile). Solo una piccola azione viene sprecata quando riscalda l’ambiente intorno. Possiamo mostrarlo in un diagramma di Sankey. La dimensione delle frecce rappresenta la quantità di ogni tipo di energia.
L’energia si perde quando la corrente elettrica scorre attraverso le bobine del motore. Le bobine di filo hanno una resistenza elettrica; maggiore è la resistenza, più difficile è per la corrente fluire e maggiore è lo spreco di energia.
Il rame è un ottimo metallo da utilizzare per le bobine di un motore per questi motivi:
• ha meno resistenza rispetto agli altri metalli;
• è facilmente sagomabile in fili;
• non è molto caro;
• resiste a temperatura elevata;
• è facilmente riciclabile quando il motore viene sostituito.
