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Tema

Lingua

Motore elettrico

La corrente trasformata in rotazione

Data
1834
Epoca
Età industriale
Fase
IV Scienza e industria
Difficoltà

Tavola

Legenda
  1. 1Magnete di campo (induttore)
  2. 2Avvolgimento dell'indotto
  3. 3Commutatore
  4. 4Spazzola
  5. 5Albero e puleggia
  6. 6Pila

Anatomia

SFFN−+
Bobina d'indotto; i segni a punta seguono il verso della correnteForza F = N·B·I·L su ciascun lato della bobina; la freccia cresce con la correnteLinee di campo, dal polo nord al polo sudUn motore da dimostrazione visto da vicino. Una sola bobina rettangolare di 100 spire, lunga 70 mm e larga 50 mm, gira sul suo albero tra un polo nord in alto e un polo sud in basso, dove il campo vale circa 0,08 T. La corrente entra da due spazzole a lamina di rame che strisciano su un commutatore di due metà di rame, ciascuna collegata a un capo della bobina. In ogni lato lungo la corrente attraversa il campo e riceve una spinta laterale F = N·B·I·L. I due lati portano la corrente in versi opposti, quindi uno viene spinto verso di voi e l'altro all'indietro, e la bobina gira. Ogni volta che la bobina si mette perpendicolare al campo, le fessure del commutatore passano sotto le spazzole e la corrente nella bobina si inverte, così la spinta continua a farla girare nello stesso verso. Per circa 6° prima e dopo quel punto nessuna spazzola tocca il rame e non passa corrente: la bobina prosegue per inerzia. Girando, la bobina fa anche da generatore: produce una tensione contraria all'alimentazione, la forza controelettromotrice, che cresce con la velocità. A 6 V la bobina assorbe 1,7 A all'avvio e circa 0,5 A quando è a regime. La forza controelettromotrice è minima quando la bobina è quasi perpendicolare al campo, perciò la corrente e la forza su ogni lato crescono poco prima di ogni punto morto, mentre la coppia cala, perché la spinta passa allora quasi per l'albero. Una bobina singola che si ferma su un punto morto non riparte da sola; la figura allora la gira a mano. I valori sono quelli di un modello da laboratorio scolastico scelto per la figura, e la lettura riporta medie su un giro. La bobina è disegnata 100 volte più lenta del vero, e accelera o rallenta 15 volte più lentamente.

Un motore elettrico trasforma la corrente in rotazione: una bobina percorsa da corrente tra i poli di un magnete riceve una spinta laterale, e un commutatore o un campo rotante mantiene quella spinta nello stesso verso. Il motore di Moritz Jacobi del 1834 erogava molta più potenza di tutti i precedenti; oggi i sistemi azionati da motori consumano circa metà dell'elettricità mondiale.

Che cos’è

Un motore elettrico trasforma la corrente elettrica in rotazione. Muove ventilatori, pompe, ascensori, tram e macchine utensili. La piattaforma Electric Motor Systems del programma 4E dell’Agenzia internazionale dell’energia stima che i sistemi azionati da motori abbiano consumato circa il 53% dell’elettricità mondiale nel 2023.

La tavola mostra un motore a corrente continua della fine dell’Ottocento alimentato da una pila.

Come funziona

Un filo percorso da corrente dentro un campo magnetico riceve una spinta laterale, perpendicolare sia alla corrente sia al campo. In una bobina posta fra due poli, i due lati lunghi sono percorsi dalla corrente in versi opposti: uno viene spinto in su, l’altro in giù, e la bobina gira.

Un indotto con un commutatore di rame a due settori e due spazzole premute sui lati opposti Commutatore a due settori: a ogni mezzo giro le spazzole passano all’altra metà.

Da sola, la bobina ruoterebbe finché il suo piano non fosse perpendicolare al campo, oscillerebbe un poco e lì si fermerebbe. Il commutatore lo impedisce. È un anello montato sull’albero e diviso in settori isolati, ciascuno collegato alla bobina; due spazzole fisse vi strisciano sopra e portano la corrente. Nella forma più semplice, a due settori, le spazzole passano all’altro settore a ogni mezzo giro, la corrente nella bobina si inverte e la coppia continua ad agire nello stesso verso.

L’indotto di una macchina porta molte bobine distribuite attorno a un tamburo di ferro, ciascuna collegata ai propri settori, così la coppia resta regolare. Il ferro è fatto di lamierini sottili isolati, perché in un nucleo pieno circolerebbero correnti parassite che sprecano energia in calore. Il campo viene da magneti permanenti in molti motori piccoli, e da elettromagneti nella maggior parte delle macchine dell’Ottocento, come quella della tavola.

Un indotto che gira funziona anche da generatore. Le sue bobine producono una tensione opposta a quella di alimentazione, la forza controelettromotrice, che cresce con la velocità. All’avvio non c’è, e la corrente può essere parecchie volte quella di regime. Man mano che il motore accelera, questa tensione sale e la corrente scende, finché la coppia eguaglia il carico. Se la si fa girare a mano, con il campo eccitato e un carico collegato, la stessa macchina fornisce corrente: motore e generatore sono un unico apparecchio usato nei due sensi.

I motori a induzione, alimentati in corrente alternata, non hanno commutatore. Avvolgimenti fissi percorsi da correnti sfasate creano un campo magnetico rotante. Questo induce correnti nelle barre di rame o alluminio del rotore, che gira un po’ più lentamente del campo.

Come costruirlo

Il motore da laboratorio scolastico richiede una pila da 1,5 V (torcia o stilo), circa un metro di filo di rame smaltato da 0,5 a 0,8 mm, due graffette grandi, un magnete a disco in ferrite o neodimio, un elastico robusto e carta vetrata fine.

Avvolgere la bobina. Avvolgere il filo da 10 a 20 volte attorno a un pennarello, lasciando 4-5 cm diritti a ogni estremità. Passare ogni capo due volte attorno al fascio per tenerlo unito. I due capi devono uscire da lati opposti, allineati con il centro della bobina: fanno da asse.

Primo piano di un asse di filo di rame appoggiato nell’occhiello di una graffetta piegata, con lo smalto tolto solo dalla metà superiore del filo Il commutatore del motore a graffette: rame nudo sopra, smalto lasciato sotto; la corrente passa solo nel mezzo giro in cui il lato nudo poggia sulla graffetta.

Fare il commutatore. Su un capo, togliere tutto lo smalto con la carta vetrata. Sull’altro, tenere la bobina in verticale come sarà montata e togliere lo smalto solo dalla metà superiore del filo. Quel capo conduce per mezzo giro e isola per l’altro mezzo, così la bobina non riceve mai una spinta all’indietro; supera il mezzo giro morto per inerzia.

Montare i supporti. Piegare ogni graffetta in un montante con un piede piatto in basso e un piccolo occhiello in cima. Tendere l’elastico per il lungo attorno alla pila, sopra i due piedi, in modo che prema ciascuna graffetta contro un polo. Mettere il magnete sul fianco della pila, sotto gli occhielli: resta attaccato all’involucro d’acciaio. Appoggiare la bobina negli occhielli, pochi millimetri sopra il magnete.

Avviarlo. Dare alla bobina una leggera spinta. Se oscilla soltanto, girarla da capo a capo o ripassare la carta vetrata sul lato scoperto.

Farlo più grande. Un magnete più forte dà più coppia; anche più spire aiutano, purché il filo più lungo non riduca troppo la corrente. Un motore da officina riunisce più bobine su un nucleo di ferro lamellare, con un commutatore a molti settori e spazzole a molla, come nella tavola.

Sicurezza. Usare solo una o due comuni pile da 1,5 V: mai la rete elettrica, una batteria d’auto o una batteria agli ioni di litio. La bobina è quasi un cortocircuito, e queste sorgenti possono erogare abbastanza corrente da ustionare la pelle, fondere il filo o appiccare un incendio. Anche una piccola pila si scalda, che il motore giri o no: fare prove brevi e sorvegliate, e staccare la pila appena lei o il filo si intiepidiscono, prima di regolare o carteggiare, e alla fine. I magneti al neodimio si attraggono con tanta forza da pizzicare la pelle e possono frantumarsi. Tenerli lontani da pacemaker e altri impianti medici e fuori dalla portata dei bambini piccoli: due magneti ingeriti possono attrarsi attraverso la parete dell’intestino.

Storia ed evoluzione

Un filo sospeso che pesca in una coppa di mercurio e gira attorno a una barra magnetica verticale La rotazione di Faraday (1821): il capo libero del filo gira attorno al magnete.

Nel 1820 Hans Christian Ørsted vide deviare l’ago di una bussola vicino a un filo percorso da corrente. Il 3 settembre 1821 Michael Faraday fece girare attorno a un magnete un filo immerso nel mercurio, e nel 1822 Peter Barlow fece ruotare una ruota a stella fra i poli di un magnete. Erano dimostrazioni di potenza quasi nulla. I campi intensi arrivarono con l’elettromagnete, che William Sturgeon realizzò a metà degli anni Venti dell’Ottocento, e verso il 1832 William Ritchie e Sturgeon costruirono macchine rotanti con commutatore.

Nel maggio 1834, a Königsberg, Moritz Hermann Jacobi completò un motore con otto elettromagneti a ferro di cavallo che sviluppava circa 15 watt. Questa tavola sceglie il 1834: Faraday aveva mostrato il principio e la piccola macchina di Sturgeon girava già uno spiedo, ma la macchina di Jacobi era molto più potente, e nessun altro costruttore la eguagliò prima del 1839 circa. Il brevetto americano di Thomas Davenport arrivò nel 1837.

Le pile rendevano costosi questi motori finché il generatore non portò corrente a buon mercato. Nel 1873 si scoprì che una dinamo di Zénobe Gramme girava come motore se un’altra la alimentava. Galileo Ferraris, a Torino, studiò il campo rotante dal 1885 e pubblicò nel marzo 1888; Nikola Tesla, che lavorava per conto suo a New York, ottenne il brevetto del motore a induzione il 1° maggio 1888. Oggi motori a magneti permanenti comandati dall’elettronica muovono droni e auto elettriche.

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