5 Il magnetismo e le macchine elettriche

5. 1 CHE COS’È IL MAGNETISMO?

In natura esiste un minerale, la magnetite FIG. 19, che ha la capacità di attirare materiali ferrosi come una calamita: è un magnete naturale e questa sua proprietà si definisce magnetismo.

Ci sono anche magneti artificiali, realizzati dall’uomo; hanno la forma di una barra o di un ferro di cavallo e hanno particolari caratteristiche:

-    il potere di attrazione magnetica si concentra alle estremità, chiamate poli magnetici, e non si manifesta al centro;

-    per convenzione i due poli vengono detti polo Nord e polo Sud; rompendo a metà una calamita se ne ottengono due con i relativi poli Nord e Sud. Anche il nostro pianeta si può considerare un enorme magnete: il polo Nord della calamita, in qualunque posizione lo si metta, si rivolge sempre verso il polo Sud magnetico terrestre;

-    se si avvicinano due calamite nel verso dello stesso segno (Nord verso Nord o Sud verso Sud) esse si respingono, mentre avvicinando i segni opposti (Nord verso Sud o Sud verso Nord) le due calamite si attraggono;

-    il magnete è attorniato dal campo magnetico, uno spazio all’interno del quale è attiva la sua capacità di attrarre corpi ferrosi; all’interno di questo spazio si possono rendere visibili le linee di forza del campo magnetico, che escono dal polo Nord e rientrano nel polo Sud

FIG. 20, È sufficiente mettere sopra un magnete un foglio di cartoncino ricoperto di limatura di ferro per vedere i granuli della limatura aggregarsi nella direzione delle linee di forza, evidenziandone l’andamento FIG. 21,

Per costruire industrialmente le calamite occorre creare dei forti campi magnetici, generati da una bobina in cui passa la corrente elettrica.    N

Le calamite conservano l’effetto magnetico per un periodo praticamente illimitato, ma se vengono sottoposte a surriscaldamento, possono perderlo.

Abbiamo imparato che una corrente può generare un campo magnetico: ora ci domandiamo se un campo magnetico può generare una corrente. La risposta è positiva.

Proviamo a muovere avanti e indietro una calamita a forma di barra all’interno di un filo di rame avvolto a spirale (bobina), i cui estremi sono collegati a un amperòmetro: con questa semplice operazione osserveremo che, durante il movimento della calamita, l’ago indicatore dell’amperometro si muove individuando il passaggio di corrente FIG. 22 .

Un campo magnetico è in grado di produrre un flusso di corrente elettrica: il fenomeno prende il nome di induzione elettromagnetica. Questa proprietà dei campi magnetici, scoperta nel 1831 dallo scienziato inglese Michael Faraday, è alla base del funzionamento dei generatori di corrente impiegati nelle centrali elettriche.

5. 2.1 LA DINAMO

Troviamo un esempio comune di sfruttamento dell’induzione elettromagnetica nella dinamo che produce la corrente elettrica utile per accendere il fanale delle nostre biciclette. Spostando il rullo zigrinato verso la ruota, mettiamo in movimento un piccolo albero che trasmette il movimento rotatorio dalla ruota a una calamita posta all’interno del cilindro metallico: la calamita è l’induttore. Attorno alla calamita viene posto il circuito indotto, composto da un barretta di acciaio attorno alla quale è avvolto un filo di rame. Gli estremi del filo sono collegati uno al telaio della bicicletta e l’altro alla lampadina posta dentro al fanale. Il magnete all’interno della dinamo può avere una forma rettangolare o stellare, in cui i poli Nord e Sud si oppongono. Quando il magnete si muove al muoversi della ruota, i poli Nord e Sud si spostano rapidamente, creando un campo magnetico che taglia le spire di rame, nelle quali, per il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, si crea una corrente elettrica continua che si trasmette alla lampadina FIG. 23 .

Il trasformatore è una macchina elettrica statica (cioè senza parti in movimento), che ha la funzione di trasformare una corrente con una tensione alta in una con tensione più bassa, o viceversa. Viene usato nelle cabine elettriche per trasformare l’alta tensione (oltre i 30 000 volt), che viaggia sui tralicci, in quella per uso domestico (220 volt), o in quella utile per far funzionare una radio o un piccolo elettrodomestico (12 volt). È composto da un pezzo di ferro rettangolare chiamato nucleo; sui due lati opposti vengono avvolti due fili conduttori, indipendenti tra loro e con un numero diverso di avvolgimenti. Ogni avvolgimento è chiamato spira. La corrente entra con una certa tensione nel primo avvolgimento, chiamato circuito primario, ed esce passando dal secondo avvolgimento, detto circuito secondario, con una tensione diversa (più alta o più bassa) rispetto a quella di ingresso. Tutto ciò è possibile perché un generatore fa scorrere la corrente all’interno del filo; il filo, attraversato dalla corrente e avvolto come una bobina al nucleo, genera un campo magnetico. Il nucleo si magnetizza a seconda del numero degli avvolgimenti del filo: più alto è il numero delle spire, più forte è il campo magnetico che viene prodotto.

Se il numero di spire del circuito secondario è maggiore rispetto a quello del circuito primario, la tensione in uscita è maggiore e il trasformatore si definisce in salita ►FIG. 24.

Se il numero di spire del circuito secondario è minore rispetto al circuito primario, la tensione in uscita è minore e il trasformatore si definisce in discesa.