Animazione sul funzionamento dei motori elettrici

Motori elettrici e generatori I

motori elettrici, i generatori, gli alternatori e gli altoparlanti sono spiegati utilizzando animazioni e schemi.
Questa è una pagina di risorse di Physclips, un'introduzione multimediale multilivello alla fisica (scarica le animazioni in questa pagina).

Motori CC

Un semplice motore CC ha una bobina di filo che può ruotare in un campo magnetico. La corrente nella bobina viene fornita tramite due spazzole che entrano in contatto mobile con un anello diviso. La bobina si trova in un campo magnetico costante. Le forze esercitate sui fili che trasportano corrente creano una coppia sulla bobina.

La forza F su un filo di lunghezza L che trasporta una corrente i in un campo magnetico B è iLB moltiplicato per il seno dell'angolo tra B e i, che sarebbe di 90° se il campo fosse uniformemente verticale. La direzione di F deriva dalla regola della mano destra*, come mostrato qui. Le due forze mostrate qui sono uguali e opposte, ma Sono spostati verticalmente, quindi esercitano una coppia. (Le forze sugli altri due lati della bobina agiscono lungo la stessa linea e quindi non esercitano alcuna coppia.)

La bobina può anche essere considerata come un dipolo magnetico, o un piccolo elettromagnete, come indicato dalla freccia SN: arriccia le dita della mano destra nella direzione della corrente, e il pollice è il polo nord. Nello schizzo a destra, l'elettromagnete formato dalla bobina del rotore è rappresentato come un magnete permanente, e la stessa coppia (Nord attrae Sud) è vista come quella che agisce per allineare il magnete centrale.

In tutto, usiamo il blu per il polo nord e il rosso per il sud. Questa è solo una convenzione per rendere chiaro l'orientamento: non c'è differenza nel materiale alle due estremità del magnete, e di solito non sono verniciati di un colore diverso.

Notare l'effetto delle spazzole sull'anello diviso . Quando il piano della bobina rotante raggiunge l'orizzontale, le spazzole rompono il contatto (non si perde molto, perché questo è comunque il punto di coppia zero - le forze agiscono verso l'interno). Il momento angolare della bobina la porta oltre questo punto di rottura e la corrente scorre quindi nella direzione opposta, invertendo il dipolo magnetico. Quindi, dopo aver superato il punto di rottura, il rotore continua a girare in senso antiorario e inizia ad allinearsi nella direzione opposta. Nel seguente , userò in gran parte l'immagine "coppia su un magnete", ma tieni presente che l'uso di spazzole o di corrente alternata può causare lo scambio di posizione dei poli dell'elettromagnete in questione quando la corrente cambia direzione.

La coppia generata in un ciclo varia con la separazione verticale delle due forze. Dipende quindi dal seno dell'angolo tra l'asse della bobina e il campo. Tuttavia, a causa dell'anello diviso, è sempre nello stesso senso. L'animazione qui sotto mostra la sua variazione nel tempo e puoi fermarla in qualsiasi fase e controllare la direzione applicando la regola della mano destra.

Motori e generatori

Ora un motore a corrente continua è anche un generatore a corrente continua. Dai un'occhiata alla prossima animazione. La bobina, l'anello diviso, le spazzole e il magnete sono esattamente lo stesso hardware del motore sopra, ma la bobina viene girata, il che genera un campo elettromagnetico.

Se si utilizza l'energia meccanica per ruotare la bobina (N spire, area A) a velocità angolare uniforme ω nel campo magnetico B , produrrà un campo elettromagnetico sinusoidale nella bobina. EMF (una forza elettromagnetica o elettromotrice è quasi la stessa cosa di una tensione). Sia θ l'angolo tra B e la normale alla bobina, quindi il flusso magnetico φ è NAB.cos θ. La legge di Faraday dà:

= NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

L'animazione sopra sarebbe chiamata un generatore CC. Come nel motore a corrente continua, le estremità della bobina si collegano a un anello diviso, le cui due metà sono a contatto con le spazzole. Si noti che le spazzole e l'anello diviso "rettificano" l'emf prodotto: i contatti sono organizzati in modo che la corrente fluisca sempre nella stessa direzione, perché quando la bobina gira oltre il punto morto, dove le spazzole incontrano lo spazio nell'anello, i collegamenti tra le estremità della bobina e l'esterno i terminali sono invertiti. L'e.m. qui (trascurando il punto morto, che avviene convenientemente a zero volt) è |NBAω sin ωt|, come abbozzato.

Un alternatore

Se vogliamo la corrente alternata, non abbiamo bisogno di recificazione, quindi non abbiamo bisogno di anelli divisi. (Questa è una buona notizia, perché gli anelli divisi causano scintille, ozono, interferenze radio e usura extra. Se si desidera la corrente continua, spesso è meglio utilizzare un alternatore e raddrizzare con diodi.)

Nell'animazione successiva, le due spazzole entrano in contatto con due anelli continui, quindi i due terminali esterni sono sempre collegati alle stesse estremità della bobina. Il risultato è l'emf sinusoidale non rettificata data da NBAω sin ωt, che viene mostrata nell'animazione successiva.

Questo è un generatore di corrente alternata. I vantaggi dei generatori CA e CC sono confrontati in una sezione seguente. Abbiamo visto sopra che un motore a corrente continua è anche un generatore a corrente continua. Allo stesso modo, anche un alternatore è un motore a corrente alternata. Tuttavia, è piuttosto inflessibile. (Vedi Come funzionano i veri motori elettrici per maggiori dettagli.)

Indietro emf

Ora, come mostrano le prime due animazioni, i motori CC e i generatori potrebbero essere la stessa cosa. Ad esempio, i motori dei treni diventano generatori quando il treno sta rallentando: convertono l'energia cinetica in energia elettrica e reimmettono energia nella rete. Recentemente, alcuni produttori hanno iniziato a produrre automobili in modo razionale. In tali auto, i motori elettrici utilizzati per azionare l'auto vengono utilizzati anche per caricare le batterie quando l'auto è ferma: si chiama frenata rigenerativa.

Ecco quindi un interessante corollario. Ogni motore è un generatore . Questo è vero, in un certo senso, anche quando funziona come un motore. La f.e.m. generata da un motore è chiamata f.e.m. La f.e.m. all'indietro aumenta con la velocità, a causa della legge di Faraday. Quindi, se il motore non ha carico, gira molto rapidamente e accelera fino a quando il La f.e.m. posteriore, più la caduta di tensione dovuta alle perdite, è uguale alla tensione di alimentazione. La forza controelettromotrice può essere pensata come un "regolatore": ferma il motore che gira all'infinito (risparmiando così ai fisici un po' di imbarazzo). Quando il motore è carico, la fase della tensione si avvicina a quella della corrente (inizia a sembrare resistiva) e questa resistenza apparente dà una tensione. Quindi la forza controelettromotrice richiesta è più piccola e il motore gira più lentamente. (Per aggiungere la f.e.m. posteriore, che è induttiva, alla componente resistiva, è necessario aggiungere tensioni sfasate. Vedere Circuiti CA.)

pratica, (e a differenza degli schemi che abbiamo disegnato), i generatori e i motori a corrente continua hanno spesso un nucleo ad alta permeabilità all'interno della bobina, in modo che grandi campi magnetici siano prodotti da correnti modeste. Questo è mostrato a sinistra nella figura sottostante in cui gli statori (i magneti che sono stat-ionari) sono magneti permanenti.

Motori 'universali'

Anche i magneti dello statore potrebbero essere realizzati come elettromagneti, come mostrato sopra a destra. I due statori sono avvolti nella stessa direzione in modo da dare un campo nella stessa direzione e il rotore ha un campo che si inverte due volte per ciclo perché è collegato a spazzole, che qui vengono omesse. Un vantaggio di avere statori avvolti in un motore è che si può realizzare un motore che funziona in CA o CC, un cosiddetto motore universale . Quando si aziona un motore di questo tipo con CA, la corrente nella bobina cambia due volte in ogni ciclo (oltre alle modifiche dalle spazzole), ma la polarità degli statori cambia allo stesso tempo, quindi questi cambiamenti si annullano. (Purtroppo, però, ci sono ancora dei pennelli, anche se li ho nascosti in questo schizzo.) Per i vantaggi e gli svantaggi degli statori a magneti permanenti rispetto a quelli avvolti, vedere di seguito. Vedi anche di più sui motori universali.

Per

costruire questo semplice ma strano motore, sono necessari due magneti abbastanza potenti (i magneti in terre rare di circa 10 mm di diametro andrebbero bene, così come i magneti a barra più grandi), un filo di rame rigido (almeno 50 cm), due fili con clip a coccodrillo su entrambe le estremità, una batteria per lanterna da sei volt, due lattine di bibite, Due blocchi di legno, del nastro adesivo e un chiodo affilato.

Realizza la bobina con un filo di rame rigido, in modo che non abbia bisogno di alcun supporto esterno. Avvolgere da 5 a 20 giri in un cerchio di circa 20 mm di diametro e fare in modo che le due estremità puntino radialmente verso l'esterno in direzioni opposte. Queste estremità saranno sia l'asse che i contatti. Se il filo ha un isolamento in lacca o plastica, rimuoverlo alle estremità.

I supporti per l'asse possono essere realizzati in alluminio, in modo da stabilire un contatto elettrico. Ad esempio, fai dei buchi in una lattina di bibita con un chiodo come mostrato. Posizionare i due magneti, da nord a sud, in modo che il Il campo magnetico passa attraverso la bobina perpendicolarmente agli assi. Fissare o incollare i magneti sui blocchi di legno (non mostrati nello schema) per mantenerli alla giusta altezza, quindi spostare i blocchi per metterli in posizione, piuttosto vicino alla bobina. Ruotare inizialmente la bobina in modo che il flusso magnetico attraverso la bobina sia zero, come mostrato nel diagramma.

Ora prendi una batteria e due fili con clip a coccodrillo. Collegare i due terminali della batteria ai due supporti metallici per la bobina e dovrebbe girare.

Si noti che questo motore ha almeno un "punto morto": spesso si ferma nella posizione in cui non c'è coppia sulla bobina. Non lasciarlo acceso troppo a lungo: scaricherà rapidamente la batteria.

Il numero ottimale di spire nella bobina dipende dalla resistenza interna della batteria, dalla qualità dei contatti di supporto e dal tipo di filo, quindi è consigliabile sperimentare valori diversi.

Come accennato in precedenza, questo è anche un generatore, ma è molto inefficiente. Per creare un campo elettromagnetico più grande, usa più giri (potrebbe essere necessario utilizzare un filo più sottile e un telaio su cui avvolgerlo). Potresti usare ad esempio un trapano elettrico per girarlo rapidamente, come mostrato nello schizzo sopra. Usa un oscilloscopio per osservare l'emf generato. È CA o CC?

Questo motore non ha anello diviso, quindi perché funziona in c.c.? In poche parole, se fosse esattamente simmetrico, non funzionerebbe. Tuttavia, se la corrente è leggermente inferiore in un semiciclo rispetto all'altro, la coppia media non sarà zero e, poiché gira ragionevolmente rapidamente, il momento angolare acquisito durante il semiciclo con corrente maggiore lo trasporta attraverso il semiciclo quando la coppia è nella direzione opposta. Almeno due effetti possono causare un'asimmetria. Anche se i fili sono perfettamente spellati e puliti, è improbabile che la resistenza di contatto sia esattamente uguale, anche a riposo. Inoltre, la rotazione stessa fa sì che il contatto sia intermittente quindi, se ci sono rimbalzi più lunghi durante una fase, questa asimmetria è sufficiente. In linea di principio, si potrebbero spelare parzialmente i fili in modo tale che la corrente sia zero in un mezzo ciclo.

Una rivisitazione alternativa del semplice motore, di James Taylor.

Un motore ancora più semplice (che è anche molto più semplice da capire!) è il motore omopolare.

Motori a corrente alternata

Con le correnti CA, possiamo invertire le direzioni del campo senza dover utilizzare le spazzole. Questa è una buona notizia, perché possiamo evitare l'incurvamento, la produzione di ozono e la perdita ohmica di energia che le spazzole possono comportare. Inoltre, poiché le spazzole entrano in contatto tra le superfici in movimento, si consumano.

La prima cosa da fare in un motore a corrente alternata è creare un campo rotante. La corrente alternata "ordinaria" da una presa a 2 o 3 pin è una corrente alternata monofase: ha una singola differenza di potenziale sinusoidale Generato tra due soli fili: l'attivo e il neutro. (Si noti che il filo di terra non trasporta corrente tranne in caso di guasti elettrici.) Con la corrente alternata monofase, è possibile produrre un campo rotante generando due correnti sfasate utilizzando ad esempio un condensatore. Nell'esempio mostrato, le due correnti sono sfasate di 90°, quindi la componente verticale del campo magnetico è sinusoidale, mentre quella orizzontale è cosusoidale, come mostrato. Questo dà un campo che ruota in senso antiorario.

(* Mi è stato chiesto di spiegare questo: dalla semplice teoria della corrente alternata, né le bobine né i condensatori hanno la tensione in fase con la corrente. In un condensatore, la tensione è un massimo quando la carica ha finito di fluire sul condensatore e sta per iniziare a fluire. Quindi la tensione è dietro la corrente. In una bobina puramente induttiva, la caduta di tensione è maggiore quando la corrente cambia più rapidamente, che è anche quando la corrente è zero. La tensione (caduta) è superiore alla corrente. Nelle bobine del motore, l'angolo di fase è piuttosto inferiore a 90 ¡, perché l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica.)

In questa animazione, i grafici mostrano la variazione nel tempo delle correnti nelle spire verticali e orizzontali. Il grafico delle componenti del campo B_x e B_y mostra che la somma vettoriale di questi due campi è un campo rotante. L'immagine principale mostra il campo rotante. Mostra anche la polarità dei magneti: come sopra, il blu rappresenta un polo nord e il rosso un polo sud.

Se mettiamo un magnete permanente in questa zona di campo rotante, o se mettiamo una bobina la cui corrente scorre sempre nella stessa direzione, allora questo diventa un motore sincrono . In un'ampia gamma di condizioni, il motore girerà alla velocità del campo magnetico. Se avessimo molti statori, invece delle solo due coppie mostrate qui, allora potremmo Consideralo come un motore passo-passo: ogni impulso sposta il rotore sulla successiva coppia di poli azionati. Ricordate il mio avvertimento sulla geometria idealizzata: i veri motori passo-passo hanno decine di poli e geometrie piuttosto complicate!

Motori asincroni

Ora, poiché abbiamo un campo magnetico variabile nel tempo, possiamo utilizzare la f.e.m. indotta in una bobina - o anche solo le correnti parassite in un conduttore - per trasformare il rotore in un magnete. Esatto, una volta che hai un campo magnetico rotante, puoi semplicemente inserire un conduttore e gira. Ciò offre molti dei vantaggi dei motori a induzione : l'assenza di spazzole o commutatori significa una produzione più semplice, nessuna usura, nessuna scintilla, nessuna produzione di ozono e nessuna delle perdite di energia ad essi associate. (Per le foto dei motori a induzione reali e maggiori dettagli, vedere Motori a induzione.)

Shockwave Flash (SWF) non è più supportato e si consiglia di non utilizzarlo. Tuttavia, se vuoi provare questi animazioni con SWF, prova la versione Flash

L'animazione mancante a destra rappresenta un motore a gabbia di scoiattolo . La gabbia dello scoiattolo ha (in questa geometria semplificata, comunque!) due conduttori circolari uniti da diverse barre diritte. Due barre qualsiasi e gli archi che le uniscono formano una bobina, come indicato dai trattini blu nell'animazione. (Solo due dei molti circuiti possibili sono stati mostrati, per semplicità.)

Questo schema suggerisce perché potrebbero essere chiamati motori a gabbia di scoiattolo. La realtà è diversa: per foto e maggiori dettagli, vedi Motori a induzione. Il problema con i motori a induzione e a gabbia di scoiattolo mostrati in questa animazione è che i condensatori di alto valore e alta tensione nominale sono costosi. Una soluzione è il motore a "poli ombreggiati", ma il suo campo rotante ha alcune direzioni in cui la coppia è piccola e ha la tendenza a funzionare all'indietro in alcune condizioni. Il modo più pulito per evitare Questo consiste nell'utilizzare motori multifase.

Motori asincroni trifase CA

monofase viene utilizzato in applicazioni domestiche per applicazioni a bassa potenza, ma presenta alcuni inconvenienti. Uno è che si spegne 100 volte al secondo (non ti accorgi che le luci fluorescenti sfarfallano a questa velocità perché i tuoi occhi sono troppo lenti: anche 25 immagini al secondo sul televisore sono abbastanza veloci da dare l'illusione di un movimento continuo). Il secondo è che rende scomodo produrre campi magnetici rotanti. Per questo motivo, alcuni dispositivi domestici ad alta potenza (diversi kW) possono richiedere un'installazione trifase. Le applicazioni industriali utilizzano ampiamente la trifase e il motore a induzione trifase è un cavallo di battaglia standard per applicazioni ad alta potenza. I tre fili (senza contare la terra) portano tre possibili differenze di potenziale che sono sfasate l'una con l'altra di 120°, come mostrato nell'animazione sottostante. Così tre statori danno un campo rotante. (Vedi questo link per ulteriori informazioni sull'alimentazione trifase.)

Se si inserisce un magnete permanente in un tale insieme di statori, diventa un motore sincrono trifase . L'animazione mostra una gabbia di scoiattolo, in cui per semplicità viene mostrato solo uno dei tanti anelli di corrente indotta. Senza carico meccanico, gira praticamente in fase con il campo rotante. Il rotore non deve essere una gabbia di scoiattolo: infatti qualsiasi conduttore che trasporterà correnti parassite ruoterà, tendendo a seguire il campo rotante. Questa disposizione può fornire un motore a induzione in grado di offrire alta efficienza, alta potenza e coppie elevate in una gamma di velocità di rotazione.

Motori lineari

Un insieme di bobine può essere utilizzato per creare un campo magnetico che trasla, piuttosto che ruotare. La coppia di bobine nell'animazione sottostante è pulsata, da sinistra a destra, in modo che la regione del campo magnetico si sposti da sinistra a destra. Un permanente o un elettromagnete tenderà a seguire il campo. Lo stesso vale per una semplice lastra di materiale conduttore, perché le correnti parassite indotte in essa (non mostrate) costituiscono un elettromagnete. In alternativa, potremmo dire che, dalla legge di Faraday, una forza elettromagnetica nella lastra metallica è sempre indotta in modo da opporsi a qualsiasi cambiamento nel flusso magnetico, e le forze sulle correnti guidate da questa forza elettromagnetica mantengono il flusso nella lastra quasi costante. (Le correnti parassite non sono mostrate in questa animazione.)

In alternativa, potremmo avere una serie di bobine alimentate nella parte mobile e indurre correnti parassite nella rotaia. In entrambi i casi ci dà un motore lineare, che sarebbe utile per i treni a levitazione magnetica. (Nell'animazione, la geometria è, come al solito in questo sito, altamente idealizzata, e viene mostrata solo una corrente parassite.)

Alcune note sui motori AC e DC per applicazioni ad alta potenza

Questo sito è stato originariamente scritto per aiutare gli studenti delle scuole superiori e gli insegnanti del New South Wales, in Australia, dove è stato creato un nuovo È stato introdotto un programma che si concentra sulla storia e le applicazioni della fisica, a scapito della fisica stessa. Il nuovo programma, in uno dei punti punti, ha questo requisito sconcertante: "spiegare che i motori a corrente alternata di solito producono bassa potenza e metterlo in relazione con il loro uso negli utensili elettrici". I motori a corrente alternata vengono utilizzati per applicazioni ad alta potenza ogni volta che è possibile. I motori asincroni CA trifase sono ampiamente utilizzati per applicazioni ad alta potenza, inclusa l'industria pesante. Tuttavia, tali motori non sono adatti se il multifase non è disponibile o è difficile da erogare. I treni elettrici ne sono un esempio: è più facile costruire linee elettriche e pantografi se si ha bisogno di un solo conduttore attivo, quindi questo di solito trasporta la corrente continua e molti motori dei treni sono a corrente continua. Tuttavia, a causa degli svantaggi della corrente continua per l'alta potenza, i treni più moderni convertono la corrente continua in corrente alternata e quindi azionano motori trifase.

I motori asincroni monofase hanno problemi per le applicazioni Combinando alta potenza e condizioni di carico flessibili. Il problema sta nella produzione del campo rotante. Un condensatore potrebbe essere utilizzato per immettere la corrente in una serie di bobine in avanti, ma i condensatori ad alta tensione di alto valore sono costosi. Al loro posto vengono utilizzati poli ombreggiati, ma la coppia è piccola ad alcuni angoli. Se non si riesce a produrre un campo che ruota in modo regolare, e se il carico "scivola" ben dietro il campo, allora la coppia diminuisce o addirittura si inverte.

Gli utensili elettrici e alcuni elettrodomestici utilizzano motori CA a spazzole. Le spazzole introducono perdite (oltre alla formazione di archi e alla produzione di ozono). Le polarità dello statore vengono invertite 100 volte al secondo. Anche se il materiale del nucleo viene scelto per ridurre al minimo le perdite per isteresi ("perdite di ferro"), ciò contribuisce all'inefficienza e alla possibilità di surriscaldamento. Questi motori possono essere chiamati motori "universali" perché possono funzionare in corrente continua. Questa soluzione è economica, ma rozza e inefficiente. Per applicazioni a potenza relativamente bassa come l'alimentazione l'inefficienza di solito non è economicamente importante.

Se è disponibile solo la corrente alternata monofase, è possibile raddrizzare la corrente alternata e utilizzare un motore a corrente continua. I raddrizzatori ad alta corrente erano costosi, ma stanno diventando meno costosi e più ampiamente utilizzati. Se sei sicuro di aver compreso i principi, è il momento di andare a Come funzionano i veri motori elettrici di John Storey. Oppure continuate qui per scoprire gli altoparlanti e i trasformatori.

Altoparlanti

Un altoparlante è un motore lineare con una gamma ridotta. Ha una singola bobina mobile che è collegata in modo permanente ma flessibile alla sorgente di tensione, quindi non ci sono spazzole.

La bobina si muove nel campo di un magnete permanente, che di solito è sagomato per produrre la massima forza sulla bobina. La bobina mobile non ha nucleo, quindi la sua massa è piccola e può essere accelerata rapidamente, consentendo un movimento ad alta frequenza. In un altoparlante, la bobina è fissata a un peso leggero cono di carta, sostenuto ai bordi interno ed esterno da "molle" circolari di carta pieghettata. Nella fotografia qui sotto, l'altoparlante è oltre il normale limite verso l'alto della sua corsa, quindi la bobina è visibile sopra i poli del magnete.

Per il suono a bassa frequenza e a grande lunghezza d'onda, sono necessari coni di grandi dimensioni. L'altoparlante mostrato di seguito ha un diametro di 380 mm. Gli altoparlanti progettati per le basse frequenze sono chiamati woofer. Hanno una grande massa e sono quindi difficili da accelerare rapidamente per i suoni ad alta frequenza. Nella fotografia qui sotto, una sezione è stata tagliata per mostrare i componenti interni.

I tweeter - altoparlanti progettati per le alte frequenze - possono essere solo altoparlanti di design simile, ma con coni e bobine piccoli e di bassa massa. In alternativa, possono utilizzare cristalli piezoelettrici per muovere il cono.

Gli altoparlanti sono visti come motori lineari con una gamma modesta, forse decine di mm. Motori lineari simili, Anche se ovviamente senza il cono di carta, vengono spesso utilizzati per spostare la testina di lettura e scrittura radialmente su un'unità disco.

Altoparlanti come microfoni

Nell'immagine sopra, si può vedere che un diaframma di cartone (il cono dell'altoparlante) è collegato a una bobina di filo in un campo magnetico. Se un'onda sonora muove il diaframma, la bobina si muoverà nel campo, generando una tensione. Questo è il principio di un microfono dinamico, anche se nella maggior parte dei microfoni il diaframma è piuttosto più piccolo del cono di un altoparlante. Quindi, un altoparlante dovrebbe funzionare come un microfono. Questo è un bel progetto: tutto ciò di cui hai bisogno è un altoparlante e due fili per collegarlo all'ingresso di un oscilloscopio o all'ingresso del microfono del tuo computer. Due domande: cosa pensi che farà la massa del cono e della bobina sulla risposta in frequenza? E la lunghezza d'onda dei suoni che usi?

Attenzione: i motori veri sono più complicati

Gli schizzi dei motori sono stati schemi per mostrare i principi. Per favore, non arrabbiarti se, quando smonti un motore, sembra più complicato! (Vedi Come funzionano i veri motori elettrici.) Ad esempio, è probabile che un tipico motore a corrente continua abbia molte bobine avvolte separatamente per produrre una coppia più fluida: c'è sempre una bobina per la quale il termine sinusoidale è vicino all'unità. Questo è illustrato di seguito per un motore con statori avvolti (sopra) e statori permanenti (sotto).

Trasformatori

La fotografia mostra un trasformatore progettato a scopo dimostrativo: le bobine primarie e secondarie sono nettamente separate, e possono essere rimosse e sostituite sollevando la sezione superiore del nucleo. Per i nostri scopi, si noti che la bobina a sinistra ha meno spire di quella a destra (i riquadri mostrano i primi piani).

Lo schizzo e il circuito mostrano un trasformatore step-up. Per realizzare un trasformatore step-down, è necessario Deve solo mettere la sorgente a destra e il carico a sinistra. (Nota importante sulla sicurezza : per un vero trasformatore, è possibile "collegarlo al contrario" solo dopo aver verificato che la tensione nominale fosse appropriata.) Quindi, come funziona un trasformatore?

Il nucleo (ombreggiato) ha un'elevata permeabilità magnetica, cioè un materiale che forma un campo magnetico molto più facilmente rispetto allo spazio libero, a causa dell'orientamento dei dipoli atomici. (Nella fotografia, il nucleo è in ferro dolce laminato.) Il risultato è che il campo è concentrato all'interno del nucleo e quasi nessuna linea di campo lascia il nucleo. Ne consegue che i flussi magnetici φ attraverso il primario e il secondario sono approssimativamente uguali, come mostrato. Dalla legge di Faraday, la f.e.m. in ogni giro, sia nella bobina primaria che in quella secondaria, è -dφ/dt. Se trascuriamo la resistenza e altre perdite nel trasformatore, la tensione del terminale è uguale alla f.e.m. Per gli N_p giri del primario, questo dà

Per le spire N_s del secondario, questo dà Dividendo queste equazioni si ottiene l'equazione del trasformatore dove r è il rapporto di spire. E la corrente? Se trascuriamo le perdite nel trasformatore (vedi la sezione seguente sull'efficienza), e se assumiamo che la tensione e la corrente abbiano relazioni di fase simili nel primario e nel secondario, allora dalla conservazione dell'energia possiamo scrivere, in stato stazionario:

V_p I_p = V_s I_s , donde

I_s /I_p = N_p /N_s = 1/r.

Quindi non si ottiene qualcosa per niente: se si aumenta la tensione, si diminuisce la corrente di (almeno) dello stesso fattore. Si noti che, nella fotografia, la bobina con più spire ha un filo più sottile, perché è progettato per trasportare meno corrente rispetto a quello con meno spire.

In alcuni casi, l'obiettivo dell'esercizio è diminuire la corrente. Nelle linee di trasmissione di potenza, ad esempio, la potenza persa nel riscaldamento dei fili a causa della loro resistenza diversa da zero è proporzionale al quadrato della corrente. Quindi si risparmia molta energia per trasmettere l'energia elettrica dalla centrale elettrica alla città a tensioni molto elevate, in modo che le correnti siano solo modeste.

Infine, e sempre supponendo che il trasformatore sia ideale, chiediamoci come "appare" il resistore nel circuito secondario al circuito primario. Nel circuito primario:

V_{p /} I_p = V_s /r² I_s = R/r² .

R/r² è chiamato resistenza riflessa . A condizione che la frequenza non sia troppo alta, e a condizione che ci sia una resistenza di carico (condizioni solitamente soddisfatte nei trasformatori pratici), la reattanza induttiva del primario è molto più piccola di questa resistenza riflessa, quindi il circuito primario si comporta come se la sorgente stesse pilotando un resistore di valore R/r² .

Efficienza dei trasformatori

In pratica, i trasformatori reali hanno un'efficienza inferiore al 100%.

Innanzitutto, ci sono perdite resistive nelle bobine (perdita di potenza I² .r). Per un dato materiale, la resistenza delle bobine può essere ridotta grandendo la loro sezione trasversale. La resistività può anche essere ridotta utilizzando rame ad alta purezza. (Vedi Velocità di deriva e legge di Ohm.)
In secondo luogo, ci sono alcune perdite di correnti parassite nel nucleo. Questi possono essere ridotti laminando il nucleo. Le lamierine riducono il area dei circuiti nel nucleo, e quindi ridurre la f.e.m. di Faraday, e quindi la corrente che scorre nel nucleo, e quindi l'energia così persa.
In terzo luogo, ci sono perdite di isteresi nel nucleo. Le curve di magentizzazione e smagnetizzazione per i materiali magnetici sono spesso leggermente diverse (isteresi o dipendenza dalla storia) e questo significa che l'energia necessaria per magnetizzare il nucleo (mentre la corrente è in aumento) non viene completamente recuperata durante la smagnetizzazione. La differenza di energia viene persa sotto forma di calore nel nucleo.
Infine, il design geometrico e il materiale del nucleo possono essere ottimizzati per garantire che il flusso magnetico in ciascuna bobina del secondario sia quasi lo stesso di quello in ciascuna bobina del primario.

Maggiori informazioni sui trasformatori: generatori CA e CC

I trasformatori funzionano solo in corrente alternata, che è uno dei grandi vantaggi della corrente alternata. I trasformatori consentono di ridurre i 240 V a livelli convenienti per il digitale elettronica (solo pochi volt) o per altre applicazioni a bassa potenza (tipicamente 12V). I trasformatori aumentano la tensione per la trasmissione, come accennato in precedenza, e diminuiscono per una distribuzione sicura. Senza trasformatori, lo spreco di energia elettrica nelle reti di distribuzione, già elevato, sarebbe enorme. È possibile convertire le tensioni in CC, ma in modo più complicato rispetto alla CA. Inoltre, tali conversioni sono spesso inefficienti e/o costose. La corrente alternata ha l'ulteriore vantaggio di poter essere utilizzata su motori a corrente alternata, che di solito sono preferibili ai motori a corrente continua per applicazioni ad alta potenza.

Altre risorse da noi

Alcuni collegamenti esterni a risorse web su motori e generatori

HyperPhysics: Electric Motors dal sito HyperPhysics presso la Georgia State. Ottimo sito nel complesso e la sezione motore è ideale per questo scopo. Buon uso della grafica web. Fa motori CC, CA e asincroni e ha collegamenti estesi
Altoparlanti.. Altre cose buone dalla Georgia State Hyperphysics. Bella grafica, buone spiegazioni e link. Questo sito di altoparlanti include anche custodie.
http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm Un sito che descrive un motore costruito da uno studente. Link ad altri motori costruiti dallo stesso studente e link anche a siti sui motori.
http://www.specamotor.com Un sito che ordina i motori di vari produttori in base alle specifiche inserite dall'utente.

Qual è la differenza tra avere magneti permanenti ed avere elettromagneti in un motore a corrente continua? Lo rende più efficiente o più potente? O semplicemente più economico?

Quando ho ricevuto questa domanda sulla bacheca di Fisica del Liceo, l'ho inviata a John Storey che, oltre ad essere un illustre astronomo, è un costruttore di auto elettriche. Ecco la sua risposta:

in generale, per un piccolo motore è molto più economico utilizzare i magneti permanenti. I materiali dei magneti permanenti continuano a migliorare e sono diventati così economici che persino il governo a volte vi invierà inutili magneti da frigo per posta. I magneti permanenti sono anche più efficienti, perché non viene sprecata energia generando il campo magnetico. Allora perché mai si dovrebbe usare un motore CC a campo avvolto? Ecco alcuni motivi:

se stai costruendo un motore molto grande, hai bisogno di un magnete molto grande e ad un certo punto un campo avvolto potrebbe diventare più economico, soprattutto se è necessario un campo magnetico molto elevato per creare una coppia elevata. Tienilo a mente se stai progettando un treno. Per questo motivo la maggior parte delle auto ha motorini di avviamento che utilizzano un campo avvolto (anche se alcune auto moderne ora utilizzano motori a magneti permanenti).
Con un magnete permanente il campo magnetico ha un valore fisso (ecco cosa significa "permanente"!) Ricordiamo che la coppia prodotta dal motore di una data geometria è uguale al prodotto del corrente attraverso l'armatura e l'intensità del campo magnetico. Con un motore a campo avvolto si ha la possibilità di modificare la corrente attraverso il campo e quindi di modificare le caratteristiche del motore. Questo porta a una serie di possibilità interessanti; Mettete l'avvolgimento di campo in serie con l'armatura, in parallelo, o lo alimentate da una sorgente controllata separatamente? Finché c'è una coppia sufficiente per superare il carico posto sul motore, l'attrito interno, ecc., più debole è il campo magnetico, più *velocemente* girerà il motore (a tensione fissa). All'inizio può sembrare strano, ma è vero! Quindi, se vuoi un motore in grado di produrre molta coppia da fermo, ma che giri ad alte velocità quando il carico è basso (come sta andando il design del treno?) forse un campo avvolto è la risposta.
Se si desidera essere in grado di far funzionare il motore sia da CA che da CC (il cosiddetto motore "universale"), il campo magnetico deve invertire la sua polarità ogni metà ciclo di alimentazione CA, in modo che la coppia sul rotore sia sempre nella stessa direzione. Ovviamente è necessario un motore a campo avvolto per ottenere questo trucco.

Le opinioni espresse in queste note sono mie e non riflettono necessariamente la politica dell'Università del New South Wales o della Scuola di Fisica. Le animazioni sono state realizzate da George Hatsidimitris. Joe Wolfe / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT + 10, +11 ottobre-marzo)