Il moto uniforme

Il campo magnetico (2' parte)
06 - La corrente elettrica in un campo magnetico.
In precedenza abbiamo visto che una corrente elettrica (che percorre un conduttore) genera un campo
magnetico.
Cosa succede, invece, se facciamo scorrere una corrente elettrica in un conduttore "immerso" in un
campo magnetico ? Quello che si verifica sperimentalmente, come rilevò per primo Faraday del 1821, è
che il conduttore, percorso dalla corrente, risente di una forza che tenderà a spostarlo. Da questa
constatazione all'invenzione del motore elettrico il passo è breve ... Ma andiamo per ordine.
Consideriamo un circuito di rame un cui tratto, che indichiamo con AB , è immerso nel campo
magnetico generato da un magnete. Supponiamo che tale tratto di conduttore sia libero di oscillare grazie
a opportuni contatti mobili. Il tratto AB , libero di oscillare, costituisce una sorta di "pendolo"
posizionato fra i poli del magnete.
Graficamente :
Il generatore di tensione V è in grado di produrre, quando il circuito viene chiuso tramite il tasto
, una
corrente continua. Per il momento non ci interessa conoscere il verso della corrente, per cui non abbiamo
indicato i poli del generatore. Ci basta solo sapere che la corrente che scorrerà nel circuito è continua.
Consideriamo, anche se non l'abbiamo indicato espressamente, che il circuito abbia una certa resistenza.
Quanto il tasto T è aperto, nel circuito (aperto) non circola corrente e sul tratto mobile AB non viene
esercitata nessuna forza. Il tratto di circuito AB rimane immobile nella sua posizione di equilibrio (si
tenga presente che il rame, quando non vi è alcuna corrente elettrica, non è "perturbato" dal magnete in
quanto il rame è un materiale che non subisce attrazione o repulsione magnetica).
Quando il tasto Tviene premuto, il circuito si chiude ed in esso passa la corrente I .
A questo punto si osserva che il tratto AB viene spostato in dentro o in fuori (rispetto ai poli del magnete)
a seconda del verso di percorrenza della corrente elettrica che viene a scorrere in esso.
Graficamente :
Questo spostarsi del tratto di conduttore AB dalla posizione di equilibrio è dovuto all'instaurarsi di una
forza
che viene ad agire sul tratto di conduttore in questione.
Se invertiamo la direzione della corrente (o invertiamo i poli del magnete senza invertire la corrente), la
forza si inverte :
La forza
è un vettore che ha direzione simultaneamente perpendicolare al tratto AB ed alle linee di
forza del campo magnetico :
Il verso della forza
dipende, come vedremo meglio in seguito, dal verso della corrente in relazione
alla polarità del magnete secondo la seguente convenzione, detta anche regola della mano destra.
07 - Il motore elettrico a corrente continua.
Un conduttore percorso da corrente ed immerso in un campo magnetico sente una forza dalle
caratteristiche già descritte nei precedenti paragrafi.
Visto che in questi fenomeni si genera una forza, perché non usarla per compiere lavoro ?
Questa idea è alla base dei motori elettrici di cui la nostra civiltà tecnologica non può fare a meno. I
motori elettrici sono utilizzati ovunque, negli elettrodomestici delle nostre case così come in ogni altro
settore tecnologico.
La scoperta della possibilità di trasformare energia elettrica e magnetica (energia elettromagnetica) in
energia meccanica costituisce una delle fondamentali conquiste dell'umanità.
Vediamo qui come questo è possibile considerando il caso semplice di un conduttore percorso da corrente
continua immerso nel campo magnetico uniforme generato da un magnete permanente.
Altri tipi di motori elettrici, anche tecnologicamente molto sofisticati, si rifanno a questo semplice caso
migliorandone le prestazioni.
Consideriamo il seguente dispositivo :
La spira conduttrice (per esempio di rame) di forma quadrata è libera di muoversi ruotando attorno ad
un perno isolante. La spira è in qualche modo (per semplicità non illustrato nel grafico) vincolata al perno
e vi può solo ruotare attorno. Il perno è costituito da un sottile asse cilindrico rigido ed immobile
(opportunamente fissato) formato da materiale isolante (per esempio di plastica).
Due lamine conduttrici (in colore) a forma arrotondata, dette spazzole, sono collegate stabilmente ad un
generatore di tensione continua.
I capi della spira, contrassegnanti con A , B , sono inizialmente in contatto con le spazzole in modo che
A sia collegato al polo positivo ( + ) del generatore e B al polo negativo ( - ) del generatore.
Nella spira scorrerà la corrente continua i con i versi indicati dalle frecce (dal + del generatore al - ) cioè
da A verso B .
Le porzioni di spira perpendicolari alle linee di forza del campo magnetico risentiranno di una certa
forza che ha direzione e verso espressi secondo la regola della mano destra. Sulle porzioni di spira
parallele alle linee di forza, come ben sappiamo, non agisce alcuna forza
La spira risentirà allora di una coppia di forze e comincerà a ruotare.
Raggiunta la posizione verticale :
i capi della spira A e B non sono più in contatto con le spazzole per cui nella spira cessa di scorrere
corrente. In questa posizione cessano anche le forze che causano la rotazione e la spira dovrebbe
fermarsi. In realtà, a causa dell'inerzia accumulata, la spira continua a ruotare per quanto basta perché si
ripristinino i contatti :
Ora, la corrente circola nella spira da B verso A e si ripristina la coppia di forze che continua a fare
ruotare nello stesso verso la spira.
Il ciclo si riproduce indefinitamente nella stessa sequenza e la spira continua a ruotare. Abbiamo così
costruito un motore elettrico a corrente continua, motore che produce energia meccanica.
Si noti che la corrente che percorre la spira viene invertita ciclicamente (nel suo verso, rispetto ai punti
A e B) tramite il sistema delle spazzole. Se la corrente non venisse invertita, la spira sarebbe percorsa
dalla corrente sempre nella direzione da A a B . La spira, una volta raggiunta la posizione verticale
(secondo grafico), non potrebbe proseguire nella rotazione perché si produrrebbe la seguente situazione di
equilibrio (raggiunto dopo una serie di oscillazioni attorno alla posizione di equilibrio) :
In questa situazione, le forze, con stessa direzione e verso opposto, potrebbero solo deformare la spira
senza farla ruotare (si osservi che anche negli altri due tratti della spira si produce una situazione
analoga).
Fine.
Attualmente la maggior parte degli istituti metrologici nazionali utilizza banchi di pile campione e resistori
per il mantenimento dei campioni primari dell'ampere. Il campione di intensità di corrente elettrica è ricavato
dalla legge di Ohm mediante due campioni, uno di f.e.m. e uno di resistenza. In Italia entrambi i campioni
sono custoditi presso l'IENGF di Torino. Il campione di f.e.m. è un gruppo di pile Weston sature, controllate
mediante l'effetto Josephson; quello di resistenza elettrica è definito come la resistenza media di un gruppo di
10 resistori campione in manganina da 1 Ω. Allo scopo di evitare l'influenza delle resistenze di contatto tra
resistore e circuito di misura, i resistori campione presentano una particolare realizzazione a quattro morsetti,
due amperometrici esterni attraverso i quali il resistore è soggetto al passaggio della corrente elettrica, e due
voltmetrici interni rispetto a quelli amperometrici, dai quali si preleva la caduta di tensione causata dalla
circolazione della corrente elettrica.