Discussione: 4b Elettromagnete: dal principio... agli atttuatori, relè, altoparlanti, strumenti.... motori!

Nella discussione ralativa all'induttanza si è visto che un filo (o meglio una bobina/solenoide) quando è attraversato dalla corrente genera un campo magnetico (bipolare, ovvero con Nord e Sud) "intorno".
Il filo cioè si trasforma in una calamita/magnete quando attraversato da corrente... si può dire quindi che è una elettrocalamita/elettromagnete...

-Quanto "vale" questo campo?.. Quale è la "forza" di questa calamita?... Beh dipende dal valore della corrente (con una certa proporzionalità).
-Come è disposto questo campo.. dove sono nord/sud? Il campo è intorno al filo.. scema man mano che ci si allontana da esso (come per i magneti permanenti/calamite) ed è comunque equivalente, a tutti gli effetti, a quello generato da un magnete/calamita.... . Nel caso del solenoide/bobina è più concentrato nella parte interna: i due estremi "prendono" le polarità Nord/Sud...


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Avvicinando ad esempio i due poli sud di 2 calamite, queste si respingeranno (se provate con le mani sentirete una forza che ve le respinge), mentre avvicinando il polo sud di una con il nord dell'altra queste si attrarranno (qua invece ...sentirete una forza che ve le attrae)
Analogamente avvicinando il polo sud di una calamita al sud generato da una... elettrocalamita.. questi 2 oggetti si respingeranno, mentre avvicinando ad esempio il polo sud di una calamita al nord generato da una... elettrocalamita.. si attrarranno!

Dal momento che l'elettrocalamita si può ... "magnetizzare" su comando ..."elettrico" (facendo o meno passare corrente).. è quindi possibile "innescare" elettricamente la repulsione (o l'attrazione)... è quello che succede ad esempio in un relè (lo vedremo meglio in futuro): fornendo energia alla bobina si ottiene la commutazione dei contatti (tramite lo spostamento meccanico operato appunto tramite attrazione... o repulsione).

Da dire che invertendo la corrente nel filo.. si inverte il "modo" in cui è generato il campo magnetico... ovvero ciò che prima era Nord diventa sud e viceversa.
Quindi una elettrocalamita non solo è magnetizzabile a comando e con intensità variabile... ma è anche possibile (di norma) scegliere con che ... "polarizzazione" (cioè quale dei due poli debba essere il Nord e quale il Sud)

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La corrente nel filo induttanza genera un campo magnetico: è tutta qui la "storia", o c'è dell'altro?
C'è dell'altro. Un filo/induttanza attraversata da corrente genera un campo magnetico... ma anche circa l'opposto.

Una nota regola dice che se un filo/induttanza è "immerso" in un campo magnetico "variabile", allora si genererà tensione ai suoi capi e potrà scorrere al suo interno corrente (ovviamente tensione & corrente variabili).
Questo si trova più o meno in tutti i testi/libri relativi.
Si parla di campo, tensione e corrente variabili. Quindi, apparentemente, mentre è possibile applicare una corrente fissa nel tempo e ottenere un altrettanto fisso campo magnetico, sembrerebbe non fattibile l'opposto, ovvero un campo magnetico fisso applicato ad un filo non genera nulla ai suo capi/interno dal punto di vista elettrico.
Pure questo si trova più o meno in tutti i testi/libri relativi.
Ma qua siamo in una zona particolare... e allora diciamo subito quello che difficilmente si potrà trovare in quei testi.. se non in ..."quinta" di copertina:
ci sono casi in cui il campo NON è variabile rispetto al filo!
(E qui mi fermo: la "correzione" è stata fatta....)

Prestare particolare attenzione a questa reversibilità. Mettendola in relazione con il capitolo "trasformatori" (http://www.energeticambiente.it/elet...formatori.html).. porta alla comprensione delle macchine elettriche note come generatori (dinamo, alternatori...), nonchè quanto siano facili i loro "travestimenti" da motori.. e viceversa!

(l ok)

Attuatori lineari: principio....

Come si è visto due magneti o elettromagneti si attraggono o respingono.. a seconda che presentino affacciati poli opposti (es. Nord e Sud) o concordi (es. Sud e Sud).

La forza esercitata (di attrazione o repulsione) dipende principalmente da due fattori
1)l'intensità dei magneti/calamite
2)la distanza fra i due
l'effetto della distanza è tendenzialmente quadratico... ovvero se alla distanza “x” si ha forza “F”... a quella “2x” si avrà F/4, mentre a quella “x/2” si avrà “4F”.

Chiaramente i magneti possono essere di caratteristiche differenti.. conterà la somma dei due singoli effetti.
Nello stesso modo non importa se trattasi di veri magneti o elettromagneti.
L'unica differenza è che nei primi l'intensità del campo magnetico è circa fissa, costante e continuata nel tempo (eccetto “perturbamenti” che qui tralascio), mentre nei secondi dipende dall'intensità della corrente elettrica applicata, come pure la polarità del campo dalla sua direzione.

Supponiamo di prendere due magneti/elettromagneti e di posizionarli ad una certa distanza.
Lasciandoli liberi di muoversi si avvicineranno o allontaneranno. Supponiamo invece di fare la stessa cosa.. ma lasciandone libero solo uno. Ovviamente sarà solo quello a muoversi!
Domanda: supponiamo poi che quest'ultimo sia un elettromagnete, “lasciandolo” cosa succederà?
Risposta: dipende!
Domanda: ahhh già, dimenticavo! Dipenderà dalla polarità della corrente e quindi del campo magnetico rispetto all'altro magnete “fisso”, no?
Risposta: “ni”! Dipenderà prima di tutto se c'è corrente. Se questa sarà zero non succederà un bel niente; starà fermo! (Ndr- supponendo l'elettromagnete costituito ad es. solo da una bobina, sprovvisto di nucleo ferromagnetico, vedi magnetizzazione residua..). Inoltre il modo come si muoverà... diciamo la velocità/rapidità/vigore.. dipenderà dall'intensità del campo, ovvero della corrente.

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Allora prendiamo un magnete e fissiamolo da qualche parte... rendiamolo cioè statico... insomma è solidale con la parte “statorica” del nostro oggetto (esso è quindi lo “statore”).
Prendiamo una elettrocalamita, avviciniamola al magnete ad una certa distanza e colleghiamola alla parte statica del nostro marchingenio con una sostanza elastica.. per esempio una molla o una gomma.

Sappiamo che una molla o gomma poco fanno in stato di riposo/non perturbate... invece se compresse presenteranno una forza opposta a quella di compressione, di norma via via crescente con lo stato di compressione/deformazione.. ciò si nota ad esempio sulle sospensioni di un veicolo, realizzate con molle o equivalenti elementi elastici. Possiamo vedere che il veicolo è “sospeso” da terra ad una certa altezza.. ed è intuibile che questo corrisponde ad una compressione degli elementi elastici tale da generare una forza che eguaglia il peso del veicolo.
Ma se “carichiamo” qualcosa sul veicolo.. questo si abbassa! L'elemento elastico dovrà esercitare più forza.. e potrà farlo quando più compresso....

Inoltre cosa analoga ma contraria succede se "tiriamo" un elemento elastico invece di comprimerlo.. questa volta la forza sarà opposta alla precedente..e comunque sempre contraria alla nostra.

Bene. Cosa succede se nel nostro "oggetto" forniamo corrente all'elettrocalamita?
Risposta: la forza di attrazione o repulsione che si genererà cercherà di avvicinare o allontanare i due magneti.... Quello fisso "scaricherà" questa forza sui fissaggi stessi che faranno da "antagonisti", quello mobile (elettrocalamita) farà lo stesso ma sull'elemento elastico.
Dal momento che quest'ultimo in posizione di riposo non esercita alcuna forza...allora l'elettrocalamita si sposterà!.
La cosa singolare è che così facendo si comprimerà o stirerà l'elemento elastico stesso, facendogli generare una forza antagonista via via maggiore.
Ovviamente quando quest'ultima eguaglierà quella della coppia magnetica, la parte "mobile" smetterà di spostarsi.

Si capisce quindi che lo spostamento dipenderà, come per il peso sul veicolo, dall'intensità della corrente nell'elettrocalamita e la direzione dal verso.
Inoltre non appena fermiamo la corrente, l'elemento elastico, non avendo più come forza antagonista quella elettricamente generata, riporterà il tutto nelle posizioni iniziali.

Chiaramente il tutto funziona anche invertendo i ruoli del magnete permanente e dell'elettromagnete... lasciando cioè il primo libero di muoversi. Conseguentemente è possibile impiegare anche due elettromagneti, uno fisso e uno mobile (o anche tutte e due in certe applicazioni particolari)... ecc., ecc.

un particolare attuatore: l'ALTOPARLANTE

Supponiamo di applicare alla “bobina” di un elettromagnete , collegato ad una parte elastica e "nel campo" di un altro magnete antagonista meccanicamente fisso, una corrente alternata sinusoidale con una certa frequenza. Cosa succede?
Seguendo la “forma” sinusoidale della corrente, quando questa inizia a salire dal valore zero e con una certa polarità, la parte mobile inizierà a spostarsi di un corrispondente valore. Man mano che l'intensità di corrente aumenta (quindi la “forza magnetica”) aumenterà pure lo spostamento. Arrivati al picco la corrente cesserà di aumentare. Nello stesso modo anche la parte magnetica mobile si fermerà. Poi la corrente inizierà a diminuire.. e così pure la parte mobile inizierà a spostarsi indietro, verso la zona di partenza, per trovare un nuovo equilibrio tra la sua forza generata... e quella antagonista dell'elemento elastico. Quando la corrente sarà zero, la parte mobile si ritroverà nel punto iniziale.
Analogamente succederà quando, proseguendo nella forma d'onda, la corrente inizierà ad aumentare ma con polarità opposta: la parte mobile si muoverà nuovamente di un valore corrispondente, ma nella parte opposta rispetto a prima!

In ultima analisi la parte mobile vibrerà alla frequenza della corrente elettrica: se questa è sufficientemente bassa (diciamo minore di 10Hz) lo potremo facilmente vedere!

Supponiamo ora di collegare la parte mobile a una superficie piatta (o conica), una “membrana”, di una certa grandezza. Cosa succede se applichiamo quella corrente sinusoidale?
Succede che viene mossa anche questa membrana: comincerà a vibrare anch'essa. Di conseguenza l'aria subirà delle fasi di compressione ed estensione... che si propagheranno. Sto dicendo che si genereranno in pratica onde... onde sonore!
Una tipica applicazione di quanto sopra è riscontrabile quindi negli altoparlanti (dalle piccole "cuffiette" alle grandi casse acustiche dei concerti dal vivo..)

Variando la frequenza della corrente, varierà il tono dell'onda sonora generata. Variando l'ampiezza della corrente (valore efficace) varierò l'intensità.. la potenza del suono emesso.

Introducendo due correnti sinusoidali di frequenza diversa, la corrente risultante in un determinato istante sarà la somma algebrica delle due correnti in quell'istante... conseguentemente la parte mobile si sposterà/ritroverà in un punto equivalente a questa somma: se la somma elettrica risultante non è più nel tempo di forma sinusoidale... così sarà anche lo spostamento... e l'onda sonora risultante.
In pratica il suono emesso è fedele allo spostamento della membrana e quest'ultimo è fedele all'eccitazione elettrica.

Pilotando l'elettromagnete con un “segnale” elettrico dato dalla somma di tante sinusoidi di frequenza, ampiezza.. costanza, durata, ecc.... variabili, si otterrà quindi un altrettanto variegato suono... si otterranno parole, musica!....

Per maggiori informazioni rimando a Wiki: Altoparlante - Wikipedia

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Concetto di reversibilità.

Domanda: cosa succede se “investiamo” un altoparlante di onde sonore?
Risposta: le onde sonore faranno “vibrare” la membrana/cono... che a sua volta porterà in vibrazione la bobina ad essa attaccata.
Conseguentemente questa si muoverà rispetto all'altro magnete fisso (praticamente un campo “statorico”): per le note e classiche leggi/regole, si produrrà una tensione elettrica corrispondente ai capi della bobina.
Quindi un simile sistema (altoparlante) è reversibile, ovvero se sottoposto ad oscillazioni elettriche produce ... o meglio “trasduce in” corrispondenti suoni... se sottoposto a suoni, produce/trasduce in corrispondenti oscillazioni elettriche. In ultima analisi questo... trasduttore può funzionare sia da altoparlante che da microfono!

NB: ovviamente in un... trasduttore elettroacustico... può essere la bobina fissa.. e mobile il magnete: si parla allora di oggetti a "magnete mobile", piuttosto che a "bobina mobile". Tuttavia di norma le masse hanno ruoli per via dell'inerzia. Si preferisce rendere mobile la parte con minor massa (di solito la bobina).

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Altra tipica applicazione del fenomeno si riscontra nelle "testine" dei giradischi. In questo caso sono le vibrazione dei "solchi" stampati sul disco che vengono trasformati in identiche vibrazione elettriche.. le quali vengono poi trattate (equalizzate, amplificate, ecc.), quindi applicate ad altoparlanti per la successiva trasformazione in vibrazioni sonore.

relais/relè

Analoga configurazione è utilizzata nei relè, teleruttori contattori.
Ritroviamo una parte fissa (di norma è la bobina/elettromagnete), una parte mobile che può riportare un magnete o solo un materiale ferromagnetico ed infine una parte elastica.

- Con bobina diseccitata l'elemento elastico mantiene la parte mobile in una situazione id riposo. A quest'ultima sono associate le parti mobili di uno o più contatti elettrici, che possono essere "chiusi" o "aperti" (o un misto)

- Con bobina eccitata si genera di norma attrazione verso la parte mobile (ferromagnetica o magnetica) che si sposta.. cioè commuta su altra posizione. Analogamente avviene l'apertura o chiusura dei contatti elettrici associati (o anche la commutazione/deviazione da uno all'altro di un segnale/percorso elettrico)

- Con bobina nuovamente diseccitata l'elemento elastico riporta il tutto nelle condizioni iniziali

Strumenti di misura

Finora abbiamo visto attuatori/trasduttori tipicamente lineari, dove cioè un qualcosa si sposta "in linea" relativamente a qualcos'altro.

Immaginiamo un oggetto costituito circa come l'altoparlante: un magnete permanente fissato esempio a sinistra/sx e un elettromagnete/bobina non vincolata a destra/dx, in modo che i poli dei due oggetti siano affacciati. Supponiamo che dove ciò accada (al centro) sia presente il polo Nord del magnete fisso.. conseguentemente il Sud sarà all'estrema sx di tutto l'oggetto.
Alimentando la bobina in modo da produrre un campo magnetico con Sud alla sua dx, all'altro capo/parte che si affaccia con l'altro magnete (il centro di tutto l'oggetto) si ritroverà un Nord.
Ora.. essendo la coppia affacciata (al centro) costituita da due Nord, vi si eserciterà repulsione e la bobina.. “mobile” si allontanerà verso dx (e viceversa con polarità opposta della corrente)
La configurazione risultante è pertanto (indico con maiuscole i campi permanenti): SN..ns

Ok.
Domanda: cosa succede se a dx poniamo un ulteriore magnete permanete?
Risposta: dipende! Orientando il magnete come il primo, cio N a dx e S a sx, otterremo quest'ultimo polo affacciato “all'altro” prima “libero” della bobina (ora centrata rispetto a tutto il meccanismo).
Con la polarizzazione precedente la configurazione è: SN..ns..SN
Notare che anche la “nuova” coppia è concorde (s..S). Agisce qui allora una forza che, fisso anche il magnete permanente a dx, tenderà pure a respingere... stavolta verso sinistra.. la bobina mobile. Cosa fa quindi questa? Dipende dai “valori” dei magneti in gioco: se identici le forze si equivarranno e la bobina starà ferma al centro.

Proprio al centro? Si! Se fosse inizialmente spostata per qualche ragione verso uno dei magneti laterali, le coppie magnetiche ottenute con la polarizzazione, pur identiche, si ritroverebbero con distanze diverse e, visto che la forza dipendere da queste, non ci sarebbe equilibrio...pertanto la bobina si sposterebbe: la coppia più vicina si allontanerebbe perchè la sua forza di repulsione prevvarebbe su quella dell'altra coppia.
Ma con lo spostamento cambia la distanza, quindi le forze repulsive sulle singole coppie affacciate. Si va allora verso un riequilibrio di forze, riscontrabile con equità di.. distanze, situazione ottenibile solo in posizione centrata (magneti di stesso valore!)

D: cosa succede invertendo la polarità della bobina?
R: la configurazione risultante è: SN..sn..SN. Qua ambedue le coppie magnetiche affacciate si attraggono. Con bobina al centro abbiamo la stessa situazione vista in precedenza, ovvero equivalenza di forze e nessun spostamento.
Sempre per quanto visto, però, se le distanze NON sono uguali per qualche ragione... pure non lo saranno le forze.
Questa volta la forza è attrattiva: la bobina si avvicinerà ulteriormente al magnete a cui è più prossima. Tal cosa farà aumentare ulteriormente lo sbilancio... con conseguenze prevedibili.
In pratica questa è una condizione/configurazione instabile... se vogliamo di “equilibrio” precario: basta il minimo movimento nella bobina “centrata” per farla letteralmente scattare di qua o di la:
Se si muove verso sx, significa che prevarrà la coppia N..s (situazione: SN.sn.....SN), viceversa sarà quella s..S a prevalere (situazione: SN.....sn.SN)

Ciò non ha applicazione specifica nell'argomento qui trattato, ma serve per comprendere certi meccanismi/passi successivi. Vediamo.

Supponiamo di fissare anche la bobina.. ma su un perno centrale. Conseguentemente essa non può più muoversi linearmente, tuttavia può ruotare su se stessa, ovvero dalla configurazione SN..xy..SN può ruotare nella configurazione SN..yx..SN.

Analizziamo il primo caso (prima “stabile”), ovvero SN..ns..SN: tutte e due le coppie affacciate saranno zona di forze repulsive.
Ora però la bobina può ruotare e inizierà a farlo! Basterà un minimo disallineamento o perturbamento per far prevalere uno dei due sensi, orario o antiorario. Indipendentemente dal senso, ogni singola coppia “concorde” si allontanerà... diminuiranno pertanto le forze repulsive.. infine saranno anche meno “affacciata” le coppie!
Ruotando essa si ritrova ad un certo punto “perpendicolare”/ruotata di 90 gradi. Usando frecce invece di NS.. e prendendo la “punta” come il nord avremo la seguente configurazione: >..^..> (o anche >..v..>).
È chiaramente qua visibile che oltre alla vecchia coppia N..n.. a sinistra, una nuova coppia di poli affacciati n..S “sorge” a destra... ma.. attenzione! Rispetto la precedente qua c'è una coppia n..S, conseguentemente c'è attrazione! (In questo particolare punto, di egual valore rispetto a quella repulsiva). Praticamente la bobina, ruotando, allontana il proprio polo N dallo N del magnete a sx e da cui vi è repulsione, ma conseguentemente lo avvicina al S dell'altro magnete.. facendo nascere qui un'attrazione.
Analogamente possiamo intuire che per l'altro polo S della bobina succede la stessa cosa: si allontana dal S del magnete a dx.. e si avvicina al N di quello a sx.
La rotazione quindi prosegue e la situazione finale sarà quella SN..sn..SN che è stabile (visto che la bobina è fulcrata al centro.. e quindi non può collassare a destra o sinistra ma rimane centrata in un campo )
In pratica qualunque sia la polarizzazione iniziale si arriverà a questo “finale”. Se essa già lo soddisfa, non succederà niente, viceversa si avrà una rotazione di 180 gradi della bobina!

Osservazioni
Non appena una coppia “concorde” (es. N..n) si allontana, la forza di repulsione si riduce (e in modo tipicamente “quadratico”).. tuttavia contemporaneamente si avvicina/genera/accoppia quella discorde (es. n..S), su cui agirà una forza attrattiva che aumenta in modo simile.
Chiaramente l'azione di queste forze attrattive/repulsive è concorde: nel caso >..^..> agiranno ambedue per far ruotare in senso orario la bobina!
Ora dipende molto dallo schema costruttivo.. dalle distanza (“air-gap”) delle coppie affacciate in stato di riposo/equilibrio), ecc.... ma è intuibile che durante la rotazione su ogni polo agisce una forza che è la risultante dell'azione attrattiva e repulsiva... e che possiamo considerare abbastanza costante (nel caso visto) per buon tratto del percorso rotativo.
Visto che anche per l'altro polo succede la stessa cosa, ma con polarità e direzioni opposte, possiamo parlare di coppia di forze... (qualcosa che sa di “momento torcente”)

Supponiamo d'applicare alla bobina un elemento elastico che si oppone alla rotazione. Non appena questa tenterà di rotare genererà una forza antagonista nell'elemento elastico, tipicamente tanto maggiore quanto questo viene “sollecitato”, ovvero quanto più la bobina ruota.
Questa allora ruoterà di un certo angolo tale da produrre nell'elemento elastico una forza eguagliante quella della coppia sulla bobina... e qui si fermerà!
Dato che la coppia dipende dalla sollecitazione elettrica ne segue che la bobina ruoterà di un angolo proporzionale a quest'ultima.

Collegandoo un “ago” alla bobina che punta su una scala graduata, potremo far coincidere l'indicazione su questa con la sollecitazione elettrica...
Ecco fatto uno strumento di misura: basta avere una scala graduata in Volt, Amper, ecc... e un circuito che pilota opportunamente la bobina in funzione della grandezza corrispondente da misurare, ovviamente previa quindi una calibrazione (per calcolo e/o taratura) del circuito stesso.

arriviamo ai.... Motori

Facciamo un passo indietro.. alla situazione dei due magneti fissi, della bobina “fulcrata”... e senza elemento elastico antagonista.
Abbiamo la situazione SN..xy..SN.

Abbiamo visto che se polarizziamo la bobina in modo da avere SN..ns..SN questa è sede, diciamo, di una coppia di forze e immediatamente ruota (in senso orario o antiorario), portandosi nella situazione SN..sn..SN.
Cosa succede se ora eliminiamo la polarizzazione? Nulla... otteniamo semplicemente SN..yx..SN.
Cosa succede se invece invertiamo la polarizzazione? Ritorniamo ad una situazione di SN..ns..SN (visto che è invertita la polarizzazione rispetto alla prima situazione... ma è anche invertita la posizione della bobina). Nuovamente questa è una situazione instabile che porterà ad una nuova ruotazione della bobina!
1)In pratica alimentiamo la bobina in modo da creare una situazione instabile
2)La bobina ruota di 180 gradi per portarsi nella posizione stabile
3)Noi, che siamo cattivi, invertiamo la polarizzazione elettrica ricreando una nuova instabilità
4)La bobina ri-ruota di 180 gradi per riportarsi nuovamente nella condizione stabile

Cosa succede se continuiamo così all'infinito? Che la bobina continuerà a ruotare.

Ora ragioniamo.... da che parte ruota la bobina?.. Abbiamo visto che in una situazione perfettamente simmetrica... il primo che “sternuta” determina un “fato” che perturba in qualche modo quell'equilibrio precario.. e che determinerà se la rotazione debba avenire in senso orario o antiorario. Bene... ma quando “noi” invertiamo la polarizzazione come nel punto 3... come ruota in senso orario o antiorario?? Se è passato sufficientemente tempo per sfumare eventuali transitori... il fulcro della bobina è “teoricamente” senza attriti.... “i pianeti sono allineati”, “l'oroscopo favorevole”... insomma in qualche modo si è arrivati ad una nuovo allineamento perfetto... ci si ritrova al punto di partenza.... la prima supernova che esplode a 62 Parsec da qui ..probabilmente potrebbe rompere quell'equilibrio e determinare il senso di rotazione... ma:
(continua...)