Motore in corrente continua
Uno dei più importanti risultati ottenuti dalla teoria fisica dell’elettromagnetismo è la possibilità di ottenere lavoro meccanico dall’energia elettrica. Alla base di questo processo vi è la forza generata su un conduttore percorso da corrente ed immerso in un campo magnetico che avevamo già formalizzato. basata sull’esperimento di Faraday.
Tra le espansioni polari di un magnete che genera un campo magnetico uniforme B, interponiamo un conduttore in rame percorso da una corrente elettrica continua i; su quest’ultimo agisce una forza F⃗ con direzione perpendicolare al piano su cui giacciono il vettore B⃗ e la direzione del conduttore di lunghezza L (con il verso della corrente i); disposto con un verso tale da veder ruotare da destra verso sinistra il vettore L⃗ per sovrapporsi alla direzione del campo magnetico B⃗.
Nel disegno si vede la forza che agisce sul filo, se invertiamo i collegamenti tra filo e poli del generatore sul filo agirà una forza opposta a quella indicata. Formalmente è:
con α l'angolo che il vettore B⃗ forma con il vettore L⃗ che ha la direzione del conduttore L e verso della corrente i. Se B⃗ ed L⃗ sono perpendicolari tra loro si ha α=90°=π/2 dunque è sinα=1; di conseguenza è
In virtù di questa proprietà, possiamo costruire un motore elettrico, cioè una macchina in grado di convertire l'energia elettrica in energia meccanica la cui configurazione più elementare è rappresentata dalla gif animata riportata ad inizio pagina, dove le espansioni polari del magnete sono state omesse per facilitare la visione dei vettori.
Di un motore elettrico, si può considerare un suo schema semplificato, come quello riportato nel disegno seguente.
Un filo metallico a forma di spira rettangolare è inserito in un campo magnetico ed è vincolato a ruotare attorno a un asse disposto perpendicolarmente alla direzione del campo.
Se ai capi della spira si applica una forza elettro-motrice continua, la corrente che circola in essa è perpendicolare alla direzione del campo magnetico e in questo modo diventa soggetta alla forza meccanica di cui dicevamo.
Quando la spira in cui circola la corrente i è disposta parallelamente alle linee del campo magnetico due dei suoi lati saranno soggetti a due forze uguali ed opposte che generano un coppia meccanica e la spira è costretta a ruotare attorno al suo asse anche quando essa è inclinata rispetto alle linee del campo.
Quando la spira è perpendicolare alle linee del campo le due forze si trovano sulla stessa linea di azione e la coppia di forze che ha mantenuto la rotazione si annulla. Arrivata in posizione verticale, la spira tende a proseguire la rotazione per inerzia ma superata questa posizione si riforma la coppia di forze che tende a farla ritornare indietro. La spira oscillerà un po' prima di fermarsi. Per permettere alla spira di continuare a ruotare oltre a questa posizione di equilibrio occorre invertire il senso della corrente che la percorre e questo può essere fatto attraverso un semplice artificio meccanico: l'anello di Pacinotti che farà da commutatore di corrente.
Invece di alimentare la spira sempre nello stesso senso viene introdotto un anello diviso in due collegato e solidale alla spira libero di ruotare su due contatti (spazzole) collegati all'alimentazione in continua. in questo modo dopo una rotazione di 180° il verso della corrente si inverte e sui suoi lati agiscono forze tali da mantenere costante la direzione di rotazione.