L ENERGIA DAGLI ELETTRONI. La struttura dell atomo

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1 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. Le molecole 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 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 Gli elettroni liberi 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. 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 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 By Paolo Molena -05/12/2008 pag. 1

2 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 pag. 2

3 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...) 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 pag. 3

4 A seconda della frequenza dei fotoni emessi possiamo avere: bassa raggi cosmici raggi gamma raggi x ultra violetto luce infrarossi micro onde onde tv alta 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 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). 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. tensione energia con cui gli elettroni sono attirati dal polo meno carico volt ampere = ohm intensità la quantità di elettroni che riesce a spostarsi dal polo carico a quello meno carico resistenza (utilizzatore) 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 pag. 4

5 I generatori di energia elettrica 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 polo meno carico, riportandoli, carichi di energia, nel polo carico. Gli strumenti in grado di compiere questa operazione, utilizzando un altro tipo di energia (meccanica, chimica, ecc...), si chiamano generatori di 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 meccanica di chi sta pedalando; l alternatore della centrale elettrica, dove si utilizza l energia meccanica dell acqua trasportata dalle condotte forzate. elettroni con energia altro tipo di energia generatore resistenza (utilizzatore) elettroni senza energia 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 pag. 5

6 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 By Paolo Molena -05/12/2008 pag. 6

7 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 o o se suddividiamo un magnete in pezzi anche piccolissimi, ognuno di questi possiederà entrambi i poli 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 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 pag. 7

8 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 Nord- Sud 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 pag. 8

9 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 pag. 9

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