SAPERE / area tecnologica dell’energia
l’energia dagli elettroni
L’ENERGIA DAGLI ELETTRONI
La struttura dell’atomo
Ogni materia è formata da particelle elementari dette atomi. Gli atomi sono formati da una parte centrale, il
nucleo (composto da due tipi di particelle, i protoni e i neutroni). Attorno al nucleo vi è una nube di altre
particelle, gli elettroni, che ruotandogli intorno descrivono orbite ellittiche. Nello stesso tipo di atomo il
numero di elettroni e di protoni corrisponde; a seconda del tipo di atomo esso varia da 1 (idrogeno) a 92
(uranio). Gli elettroni completano l’orbita più interna prima di disporsi su una successiva.
Elettroni e protoni creano intorno ad essi un
campo di forze, diverse tra di loro.
Convenzionalmente si è deciso di chiamare
negativa (segno -) la forza degli elettroni e positiva
(segno +) quella dei protoni.
Si è notato che particelle dotate di cariche
dello stesso segno si respingono, di cariche di
segno opposto si attraggono.
1° orbita max 2 elettroni
2° orbita max 8 elettroni
3° orbita max 18 elettroni
4° orbita max 32 elettroni
5° orbita max 18 elettroni
6° orbita max 9 elettroni
7° orbita max 2 elettroni
Le molecole
Se un atomo ha l’ultima orbita non completa tenderà:
1. a perdere gli elettroni dell’ultima orbita non completa se essi sono pochi
2. a completare l’orbita catturando elettroni di altri atomi. Se questi elettroni continuano a mantenere il
legame con il loro nucleo originario si forma una molecola, cioè un insieme di atomi legati tra di loro dagli
elettroni messi in comune
Esempio una molecola d’acqua dove un atomo di
ossigeno (con 6 elettroni sulla seconda orbita)
completa la seconda orbita fissandovi gli elettroni
di due atomi di idrogeno.
Gli elettroni “liberi”
Abbiamo visto come alcuni atomi hanno la tendenza a perdere gli elettroni collocati sull’ultima orbita, se
questi sono pochi. In questi casi gli elettroni “liberi” gireranno disordinatamente tra gli atomi usando come
“strada” le loro orbite esterne. Chiameremo conduttori i materiali che hanno queste caratteristiche e che
dunque che favoriscono il movimento degli elettroni.
Chiameremo isolanti i materiali che hanno
caratteristiche opposte. Quelli cioè in cui gli
elettroni, avendo l’orbita esterna quasi completa,
tendono a completarla attirando altri elettroni.
Quando l’ultima orbita è completa non potrà
essere più usata da altri elettroni come strada per
spostarsi tra gli atomi. Questi materiali tendono
dunque ad ostacolare il movimento degli elettroni.
By Paolo Molena -05/12/2008
-------- una curiosità ----------------------se il nucleo di un atomo fosse grande un centimetro gli ultimi elettroni sarebbero alla
distanza di un chilometro e a tre chilometri incontreremmo l’atomo più vicino
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l’energia dagli elettroni
I poli elettrici e la differenza di potenziale
Un altro fenomeno importante riguardante gli elettroni è che, sia per cause naturali che per effetto dell’opera
dell’uomo, è possibile che si concentrino in un punto (che chiamerò polo carico o negativo) una quantità di
elettroni molto maggiore di quanti ve ne dovrebbero essere.
Questi elettroni in eccesso stazionano sulle orbite
esterne degli atomi e saranno attirati verso
qualsiasi punto con un minor carico di energia
(polo meno carico o positivo).
In giornate ventose e secche ci potrà essere capitato di prendere una scossa toccando un automobile. La
carrozzeria dell’automobile ha sottratto elettroni (per sfregamento) agli atoni dell’aria ma non può cederli
al terreno perché le ruote di gomma sono isolanti. Quando noi tocchiamo la carrozzeria dell’automobile il
nostro corpo, che è un discreto conduttore, fa da “ponte” permettendo il passaggio degli elettroni in
eccesso verso il terreno. Il passaggio di elettroni continuerà sino a quando lo squilibrio sarà colmato.
L’energia con cui gli elettroni sono attirati dal polo meno carico si chiama tensione o differenza di
potenziale. Essa dipende dallo squilibrio esistente tra il polo carico e quello meno carico. L’unità di misura
della tensione è il volt.
Gli elettroni sono attirati dal polo meno carico, ma la loro possibilità di spostamento, oltre che dall’intensità
della tensione, dipende da vari fattori:
1) dalla natura del materiale da attraversare, che può essere:
un buon conduttore > materiale i cui atomi, tendendo a perdere i pochi elettroni presenti nell’ultima
orbita, agevolano il suo utilizzo da parte degli elettroni che si spostano (corrente elettrica).
un isolante > materiale i cui l’ultima orbita degli atomi, una volta completata, non è facilmente
utilizzabile per il transito di elettroni.
un cattivo conduttore o semiconduttore > nei casi intermedi (passaggio di elettroni ma con difficoltà.
2) dalla sua lunghezza
la lunghezza del materiale di collegamento moltiplica le difficoltà che gli elettroni incontrano per
attraversarlo
3) dalla sua sezione
il materiale di collegamento tra i due poli è come un “canale” percorso da elettroni in movimento che
viaggiano utilizzando le orbite esterne degli atomi. Se il “canale” è grande vi sarà molto spazio a
disposizione degli elettroni che lo attraversano, se è piccolo, lo spazio sarà minore. Dunque la sezione
va calcolata in base alla quantità di elettroni che si prevede di far passare; se essa è piccola rispetto al
numero di elettroni che passano, le ultime orbite saranno saturate e il passaggio diventerà difficoltoso.
4) dalla temperatura dell’ambiente
il calore consiste in una vibrazione degli atomi che formano la materia. Rendendone meno lineare il
percorso, questa vibrazione limita la quantità di elettroni che possono attraversare la materia. Di
conseguenza, maggiore è il calore del conduttore minore sarà la sua capacità di trasportare elettroni.
Tenendo conto di tutti questi fattori, tra i due poli possiamo avere le seguenti situazioni:
a) rapido passaggio di corrente
in genere c’è un buon conduttore ed anche gli altri fattori agevolano il passaggio di corrente. Gli
elettroni potranno dirigersi verso il polo meno carico colmando rapidamente la differenza di carica
elettrica tra i due poli
b) nessun passaggio di corrente
tra i due poli c’è un materiale isolante. Gli atomi vicino al polo carico, hanno le orbite esterne complete
o le completano rapidamente non lasciando così alcuna possibilità di passaggio. Nel caso di tensioni
molto elevate gli elettroni hanno spesso l’energia necessaria per superare la sostanza isolante in tutta la
sua lunghezza. In tal caso vedi la situazione C.
By Paolo Molena -05/12/2008
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c) passaggio della corrente con difficoltà
tra i due poli c’è passaggio di corrente, reso però
difficoltoso a causa dei fattori precedentemente citati.
Questo fatto ha due conseguenze:
1) la quantità di elettroni che riesce a passare è in
rapporto alle difficoltà incontrate sul percorso
2) a causa delle limitate possibilità di passaggio
molti elettroni in transito finiranno per interferire
con gli elettroni che ruotano sulle orbite più
esterne degli atomi perdendo così una parte della
loro energia (energia elettrica) che verrà
trasformata, a seconda dei casi in calore o in
emissione di onde radianti divario tipo (luce,
ecc...)
l’energia dagli elettroni
Fulmine in un temporale estivo. In questo caso la
tensione tra le nuvole cariche di elettroni e il
terreno è talmente elevata da vincere la resistenza
di un materiale fortemente isolante come l’aria.
Lo scontro con gli elettroni in transito rende
incandescenti gli atomi dell’aria
La corrente elettrica e il calore
Quando degli elettroni si muovono con energia all’interno di
una materia che resiste al loro passaggio (cattivo conduttore),
gli elettroni, che non trovano spazio sulle orbite esterne degli
atomi, “forzano” il passaggio scontrandosi con i campi di forza
degli elettroni dell’atomo. Questo comporta una perdita di
energia da parte degli elettroni in transito mentre tutta la
struttura dell’atomo si mette a vibrare. Tale vibrazione, che
costringe l’atomo a occupare più spazio, si trasmette anche agli
atomi vicini.
Il calore
Il calore è dato dall’oscillazione degli atomi che compongono il
materiale
Isolanti termici sono quei materiali che ostacolano la
propagazione delle vibrazioni degli atomi e dunque del calore
La corrente elettrica e la luce
Un altro effetto della situazione precedentemente descritta può
essere l’emissione della luce. A causa della repulsione tra i
campi di forza degli elettroni in transito e quelli che ruotano
nelle orbite esterne degli atomi può succedere che questi ultimi
vengano spinti verso un orbita diversa. I primi cederanno della
loro energia all’elettrone dell’atomo. Questo ultimo, cessata la
situazione di repulsione, ritorneranno nella loro orbita
emettendo la particella di energia (fotone) precedentemente
acquisita.
Una emissione di fotoni si può avere anche quando un elettrone in movimento deve usare dell’energia per
saltare tra le orbite esterne degli elettroni.
Dunque l’emissione di un fotone è una perdita di energia da parte di un elettrone in movimento. Il fotone
viaggia oscillando nello spazio e il numero delle oscillazioni che avvengono in un secondo si chiama
frequenza; essa dipende dalle condizioni dell’elettrone al momento dell’emissione.
By Paolo Molena -05/12/2008
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l’energia dagli elettroni
A seconda della frequenza dei fotoni emessi possiamo avere:
bassa
raggi
cosmici
alta
raggi
gamma
raggi x
ultra
violetto
luce
infrarossi
micro
onde
onde tv
onde
radio
viola azzurro verde giallo arancione rosso
i fotoni, a seconda della loro frequenza, e delle caratteristiche degli atomi che incontrano, possono:
•
essere riassorbiti dagli atomi (questo comporta un aumento della loro oscillazione e dunque del calore)
•
attraversare in tutto o in parte gli atomi di un materiale (ad esempio sostanze trasparenti). Passando da un mezzo ad un
altro la luce ha una lieve variazione di velocità e di lunghezza d’onda che determina anche una piccola deviazione
La luce viaggia nel vuoto e nell’aria a 300.000 chilometri al secondo, nel vetro e nell’acqua rallenta di 2/3 circa.
La resistenza
L’importanza per l’uomo dei fenomeni elettrici inizia con la scoperta di alcuni materiali, detti
semiconduttori, che hanno un comportamento intermedio tra conduttori e isolanti. Sottoposti, su tratti
brevi, a tensioni anche non molto elevate, lasciano passare gli elettroni ma in numero limitato e con
difficoltà. Inoltre questo passaggio provoca i fenomeni che abbiamo già visto: emissione di luce e calore. E’
quello che succede nel breve tratto di filo di tungsteno inserito in una lampadina. Gli elettroni che lo
attraversano si scontrano con le strutture atomiche di questo materiale; gli atomi inizieranno a oscillare
(calore) mentre il cambiamento dell’orbita di rotazione di alcuni elettroni (causato dallo scontro)
provocherà l’emissione di fotoni (luce).
L’attraversamento di una resistenza (così viene chiamato il materiale che pone un ostacolo al passaggio
degli elettroni) causerà, agli elettroni che la percorrono, la perdita dell’energia con cui vengono attirati dal
polo meno carico. E’ energia elettrica che viene così trasformata in energia termica o luminosa. La
resistenza opposta al passaggio degli elettroni sarà inversamente proporzionale alla tensione di questi ultimi:
più elevata sarà l’energia con cui gli elettroni “spingono” maggiore sarà il numero di elettroni che riuscirà a
superare l’ostacolo (intensità).
tensione
L’intensità si misura in ampere (un ampere equivale al
passaggio di circa seimila miliardi di elettroni al
secondo), la tensione in volt mentre la resistenza in ohm.
Queste tre unità di misura sono collegate tra di loro: noi
avremo una corrente di un ampere se alla tensione di un
volt viene opposta una resistenza di un ohm.
La quantità di energia che una resistenza riesce a
strappare agli elettroni in un secondo dipenderà dalla
quantità di elettroni che vi transitano (intensità) e
dall’energia con cui essi si muovono (tensione). Tale
quantità si chiama potenza e si misura in watt.
energia con cui gli
elettroni sono
attirati dal polo
meno carico
intensità
la quantità di elettroni che
riesce a spostarsi dal polo
carico a quello meno carico
resistenza (utilizzatore)
volt
ampere =
ohm
ostacolo che costringe gli elettroni
a cedere la loro energia che si
trasforma in luce e calore
Grazie alle resistenze (dette anche utilizzatori di energia elettrica) l’elettricità dà dunque la possibilità di
ottenere luce e calore e movimento evitando gli svantaggi legati all’uso dei combustibili (spiegare come si
ottiene il movimento è più complesso perché bisognerebbe approfondire i fenomeni elettromagnetici).
By Paolo Molena -05/12/2008
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I generatori di energia elettrica
l’energia dagli elettroni
altro tipo di
energia
Per consentire alla resistenza di svolgere il suo compito
avremo bisogno di mantenere inalterata la differenza di
potenziale tra i due poli.. Ciò è stato possibile
realizzando degli strumenti che siano in grado di
prelevare gli elettroni che arrivano privi di energia al
generatore
polo meno carico, riportandoli, carichi di energia, nel
polo carico. Gli strumenti in grado di compiere questa
elettroni
elettroni
operazione, utilizzando un altro tipo di energia
con
senza
(meccanica, chimica, ecc...), si chiamano generatori di
energia
energia
differenza di potenziale.
Sono, ad esempio, generatori: la pila, dove per
mantenere costante la differenza di potenziale tra i due
poli si utilizza energia chimica (sino al suo esaurimento);
la dinamo della bicicletta, dove si utilizza l’energia
resistenza (utilizzatore)
meccanica di chi sta pedalando; l’alternatore della
centrale elettrica, dove si utilizza l’energia meccanica
dell’acqua trasportata dalle condotte forzate.
Una rete di distribuzione di energia elettrica è formata innanzitutto da generatori situati in centrali
elettriche, che hanno il compito di mantenere la differenza di potenziale tra i poli. Questo avviene
trasformando un altro tipo di energia. Lunghi elettrodotti, realizzati con materiali conduttori, serviranno per
trasportare questa differenza di potenziale sino ai due fili che entrano nelle nostre case. La tensione con cui
viene distribuita la corrente è di 220 volt ed è uguale in tutta Italia (è uno standard diffuso in molti altri
paesi).
Questo è necessario affinché i costruttori di
apparecchiature che utilizzano corrente
elettrica possano calcolare con precisione la
resistenza che queste dovranno opporre al
passaggio degli elettroni.
Circuiti semplici
Un circuito elettrico semplice sarà formato da un generatore, un utilizzatore (resistenza) e da fili conduttori
di collegamento la cui sezione sarà calcolata tenendo conto della quantità di elettroni (intensità) che possono
superare la resistenza.
Nel caso i due fili (di andata e di ritorno) vengano a contatto tra di loro, il flusso
di elettroni verso il polo meno carico, non più rallentato dalla resistenza,
aumenterà oltre il limite previsto bruciando il filo non adatto a reggere tale
intensità (corto circuito).
Proprio per evitare che eventuali corti circuiti distruggano l’impianto elettrico
nei vecchi impianti si usava collocare un fusibile lungo il circuito. Esso
consisteva in un sottile filo con un basso punto di fusione. Se l’aumento
dell’intensità superava il limite stabilito, la fusione anticipata del fusibile
interrompeva il passaggio della corrente salvando il resto dell’impianto. Oggi i
fusibili sono sostituiti da interruttori elettromagnetici (salvavita).
By Paolo Molena -05/12/2008
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l’energia dagli elettroni
Circuiti con più resistenze
A) collegamento delle resistenze in parallelo
se collego al circuito altre resistenze in modo che ogni elettrone
ne attraversi comunque una sola, dovrò aumentare l’intensità in
modo che per ogni resistenza passi la quantità di elettroni
necessaria per il suo funzionamento. La tensione invece rimarrà
fissa.
Anche
se
collego
più
generatori in parallelo non
aumenta la tensione del circuito
ma la quantità di corrente a
disposizione dell’utilizzatore.
B) collegamento delle resistenze in serie
se invece il collegamento avviene in modo tale da costringere
gli elettroni ad attraversare tutte le resistenze dovrò aumentare
la tensione in modo che ogni elettrone abbia la quantità di
energia necessaria per superare tutti gli ostacoli. Collegando
più generatori in serie avrò una tensione totale equivalente alla
somma delle tensioni dei singoli generatori.
La possibilità di collegare e scollegare ogni singolo utilizzatore separatamente dagli altri rende molto più
pratico l’impianto in parallelo che infatti viene utilizzato per gli impianti elettrici domestici collegati alla
rete elettrica nazionale. Anche i generatori (centrali elettriche) saranno collegati in parallelo in modo da
essere messi in funzione in numero maggiore quando occorrerà una maggiore intensità di corrente.
L’impianto elettrico in parallelo
All’ingresso dell’abitazione, e anche del nostro modellino, avremo due fili che riproducono i due poli. Per
fornire energia alle numerose resistenze realizzeremo un impianto “in parallelo”. Uno dei due fili, filo di
entrata, viene diviso in numerose diramazioni su ognuna delle quali vi sarà un interruttore e un utilizzatore.
Tutte le diramazioni si ricongiungeranno verso il secondo filo (filo di uscita). L’impianto è dunque
realizzato in modo che ogni elettrone ne attraversi comunque una sola resistenza. Prima della suddivisione
nelle varie diramazioni, sul filo di entrata viene collocato un interruttore (interruttore generale) che ha lo
scopo di interrompere il flusso di elettroni su tutto l’impianto. Più aumento le diramazioni e gli utilizzatori,
più dovrà aumentare l’intensità in modo che per ogni resistenza passi la quantità di elettroni necessaria per il
suo funzionamento. La tensione invece rimarrà fissa.
codici del disegno tecnico di impianti elettrici
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magnetismo ed elettricità
MAGNETISMO ED ELETTRICITA'
Esiste in natura un minerale del ferro, la magnetite, che ha la proprietà di attirare piccoli frammenti di altri
metalli, in particolare il ferro e le sue leghe. La magnetite è definita magnete naturale o calamita, mentre il
fenomeno viene chiamato magnetismo.
Se osserviamo una calamità, possiamo osservare che le proprietà magnetiche che la caratterizzano non sono
uniformemente distribuite sulla sua superficie, ma sono evidenti solo alle sue estremità, dette poli. Più
precisamente, tali estremità vengono chiamate polo nord (N) e polo sud (S). Questi nomi derivano dal fatto
che la Terra stessa è percorsa da un flusso, chiamato campo magnetico terrestre, il cui asse longitudinale è
spostato di soli 7° rispetto all'asse dì rotazione. L'estremità settentrionale dell'asse longitudinale del flusso
magnetico corrisponde al cosiddetto polo nord magnetico.
Le calamite e tutti i corpi dotati di proprietà magnetiche, se lasciati liberi di ruotare, si orientano in modo
che il loro polo N sia rivolto nella direziono del polo nord magnetico (è ciò che avviene ad esempio in una
bussola).
L'orientamento delle forze magnetiche intorno a una calamità sì dispone come un flusso invisibile tra le sue
estremità. Possiamo immaginare questo flusso magnetico come se uscisse dal polo N, per rientrare poi
nell'altro, il polo S. La disposizione delle forze di attrazione nello spazio circostante al magnete segue le
linee di flusso ed è detta campo magnetico.
Tutti i magneti possiedono alcune proprietà interessanti:
o se suddividiamo un magnete in pezzi anche piccolissimi, ognuno di questi possiederà entrambi i poli
o se avviciniamo due magneti, notiamo che le polarità opposte (N-S) vengono reciprocamente attratte,
mentre le polarità uguali {N-N o S-S) si respingono, analogamente a quanto avviene per le cariche
elettriche
o esiste tra magnetismo ed elettricità una stretta relazione, che è alla base dei generatori meccanici di
corrente elettrica e di tutte le macchine elettriche.
La scoperta del legame fra elettricità e magnetismo rese possibile le grandi invenzioni del telegrafo, il
telefono e la radio.
L'elettromagnetismo
Una corrente elettrica che percorre un filo genera nello spazio circostante un campo magnetico a cerchi
concentrici attorno al conduttore. Un filo conduttore viene dunque attraversato nello stesso verso dalie linee
del campo magnetico, lungo un asse Nord-Sud, Esso si comporta all'incirca come una calamità, ma l'aria
provoca una forte dispersione del flusso magnetico. Se avvolgiamo a spirale un filo conduttore su un
cilindro di plastica o cartone (rocchetto), e facciamo passare attraverso di esso una corrente elettrica,
otteniamo un campo magnetico molto intenso. Realizziamo così una bobina o solenoide.
In una bobina, l'intensità del campo magnetico è proporzionale sia al numero delle spire che all'intensità
della corrente continua che circola nella spirale. Questo fenomeno è avvertibile con una bussola, e può
essere rappresentato graficamente con una maggiore densità delle linee di forza; le due estremità della
bobina divengono il polo Nord e il polo Sud.
La magnetizzazione per induzione
Possiamo facilmente notare come un elettrone che ruota intorno ad un nucleo forma una spira; di
conseguenza, anche in questo caso avremo la creazione di linee di forza magnetiche e di due opposte
polarità sui due lati della spira. Questo normalmente non provoca conseguenze perché gli elettroni ruotano
disordinatamente intorno al nucleo annullando reciprocamente gli effetti dei campi magnetici che ognuno di
essi provoca. I materiali ferrosi hanno però una struttura interna particolare che li rende facilmente
magnetizzabili se messi a contatto o avvicinati a un magnete. Possiamo verificare questa proprietà
raccogliendo chiodi o monete ferrose con una calamità.
Infatti in questi metalli l'ingresso in un campo magnetico provoca una modifica nella rotazione degli
elettroni intorno ai nuclei in modo che essa sia coerente con le linee di forza che li stanno attraversando.
Cessata la causa esse ritornano nella posizione originaria e l'effetto svanisce. È interessante osservare però
che l'azione magnetizzante è indipendente dal contatto. Sui materiali ferrosi infatti agiscono le linee di forza
del campo magnetico, che si spingono oltre la calamita. Questo effetto viene chiamato induzione.
By Paolo Molena -05/12/2008
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magnetismo ed elettricità
L'azione del campo magnetico cioè induce essi a modificare le orbite degli elettroni; così una qualsiasi
sbarretta dì ferro, avvicinata ad una calamità si trasforma anch'essa temporaneamente in magnete, attirando a
sua volta piccoli oggetti ferrosi. Allontanando la calamità l'effetto cessa.
Alcuni ossidi ferrosi però mantengono invece l'orientamento acquisito e tale orientamento rimane stabile
finché non viene modificato da un'altra azione magnetizzante.
Sull'utilizzo di questi materiali si basa la registrazione magnetica delle videocassette, dei dischetti dei
computer e anche delle carte di credito.
L'elettrocalamita
L'elettrocalamita è in sostanza una bobina all'interno della quale è stato collocato un cilindro di ferro dolce,
chiamato nucleo. Il nucleo di ferro, sottoposto al campo magnetico generato dalla bobina, si magnetizza,
diventando cosi un magnete artificiale.
Le proprietà magnetiche dell'elettrocalamita si verificano quando la bobina viene attraversata dalla corrente
elettrica: in questo caso essa è in grado di attirare oggetti metallici, II campo magnetico si attenua
diminuendo l'intensità di corrente e cessa del tutto con l'apertura del circuito. Pertanto l'elettrocalamita è un
magnete temporaneo. Sfruttando il fenomeno dell'elettromagnetismo si può trasformare l'energia elettrica in
energia meccanica (cinetica o potenziale); tale tecnica ha una notevole importanza e viene utilizzata in molti
apparecchi di uso comune: nel campanello elettrico, negli interruttori a scatto, negli altoparlanti, nelle
testine di registrazione, oltre che nei motori elettrici.
Nell'elettrocalamita il campo magnetico può variare secondo il tipo dì corrente che attraversa la bobina:
• se la corrente è continua, cioè se scorre sempre nello stesso verso, anche le linee di forza del campo
magnetico mantengono lo stesso orientamento (campo magnetico costante);
• se la corrente è alternata, cioè se inverte ritmicamente il suo verso lungo il conduttore, varia di
conseguenza anche la direzione del campo magnetico da essa generato, che scambia le sue polarità NordSud seguendo lo stesso ritmo (campo magnetico variabile).
La regola della presa della mano destra indica l'orientamento delle
linee di forza che rappresentano il campo magnetico generato da una
corrente elettrica passante per un solenoide (ad esempio per un filo).
Se con la mano destra si immagina di afferrare il solenoide ponendo
la punta del pollice nel verso della corrente, la punta delle altre dita
(chiuse intorno al solenoide) indicherà il verso del campo magnetico.
L'induzione elettromagnetica
L'induzione elettromagnetica introduce un nuovo elemento nella relazione tra corrente elettrica e flusso
magnetico: il movimento.
Se avviciniamo un conduttore ad un magnete, in modo che attraversi in qualche punto le linee di forza del
campo magnetico, possiamo verificare che si produce ai suoi estremi una differenza di potenziale.
Questa tensione è tanto più alta quanto maggiore è il numero di linee di forza tagliate dal conduttore, cioè
quanto più sono vicini il magnete e il conduttore.
La tensione creata, chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) indotta, dipende anche dall'intensità del campo
magnetico e dalla lunghezza del conduttore situato all'interno di esso.
Chiudendo il circuito questo potenziale elettrico produce la circolazione di una corrente.
Se agiamo all'inverso, cioè tenendo fermo il conduttore, e avvicinando a questo il magnete, otteniamo lo
stesso effetto, purché il conduttore attraversi le linee del flusso del campo magnetico. Il
principio
dell'induzione elettromagnetica è quindi valido anche se applicato in senso inverso.
Così come le variazioni di corrente elettrica generano variazioni del campo magnetico e, tramite esse, un
movimento (funzionamento del campanello o del motore elettrico elementare), analogamente le variazioni di
movimento tra una bobina e un magnete generano una corrente elettrica.
Sfruttando l'induzione elettromagnetica si può quindi trasformare l'energia meccanica in energia elettrica,
come nel caso dei generatori meccanici di corrente, ma si può anche utilizzare l'energia elettrica per
produrre movimento, come nel caso dei motori elettrici.
By Paolo Molena -05/12/2008
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magnetismo ed elettricità
I generatori meccanici di corrente
I generatori meccanici di corrente, come abbiamo visto, servono a trasformare l'energia meccanica in energia
elettrica. Essi sono utilizzati in molti campi (dalle grandi centrali che producono elettricità ai motori delle
automobili) per trasformare il moto rotatorio in energia elettrica. L'energia meccanica viene fornita da una
fonte esterna, come la ruota di una bicicletta o l'albero motore di un'automobile, Essa si manifesta a impulsi,
dovuti alla particolarità del movimento rotatorio.
Vi sono due tipi di generatori meccanici di corrente; la dinamo e l'alternatore. La differenza di
funzionamento tra i due tipi di generatori risiede nella diversa realizzazione dei loro contatti.
Come è fatto un generatore meccanico di corrente
I generatori meccanici di corrente sono formati essenzialmente da tre parti:
• lo statore, o induttore, costituito da due magneti in grado di generare un campo magnetico molto
intenso;
• il rotore, o indotto, è una parte metallica mobile messa in rotazione da una forza esterna; la sua
rotazione produce corrente, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica;
• il collettore, che ha la funzione dì convogliare la corrente prodotta dal rotore ad un circuito elettrico
esterno, per mezzo delle spazzole.
la dinamo
La dinamo è costituita secondo lo schema comune di tutti i
generatori meccanici di corrente, con la particolarità che l'organo
che convoglia la corrente indotta dalla spira è un commutatore.
Osservando il funzionamento di una dinamo, notiamo che in essa
i contatti tra il commutatore e le spazzole, che la collegano al
circuito elettrico estremo, vengono scambiati a ogni suo mezzo
giro, In questo modo la corrente elettrica indotta, che nella spira
inverte continuamente il verso di scorrimento, lo mantiene invece
costante nel circuito. La corrente che così viene generata si
chiama corrente continua.
l'alternatore
L'alternatore è il generatore tipico delle centrali elettriche le quali
sfruttano l'energia cinetica dell'acqua o l'effetto termodinamico
del vapore. Esso è costituito come la dinamo, con l'unica
eccezione che l'organo che preleva la corrente indotta dalla spira
non è un commutatore, essendo formato da due anelli interi, detti
anelli collettori.
In questo modo la corrente elettrica che viene immessa nel
circuito elettrico esterno inverte continuamente il verso di
scorrimento, analogamente a quanto avviene nella spira. La
corrente cosi generata viene quindi chiamata corrente alternata.
Questo tipo di corrente presenta grandi vantaggi per la
distribuzione di energia elettrica. La spira taglia
perpendicolarmente le linee di flusso solo due volte durante ogni
giro.
La tensione in questi istanti è massima, poi scende fino a scomparire dopo un quarto di giro, quando il suo
movimento avviene lungo le linee, quindi risale e il ciclo continua.
Il diagramma della tensione generata perciò non è mai lineare. A ogni mezzo giro le linee di forza del
campo magnetico attraversano la spira in senso inverso, generando una tensione con polarità rovesciate e la
corrente elettrica percorre la spira nell'altro verso.
By Paolo Molena -05/12/2008
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