L'ELETTROMAGNETISMO e le sue applicazioni

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INDICE
L'ELETTROMAGNETISMO 
IL CAMPANELLO ELETTRICO
L'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
GENERATORI ELETTRICI
LA DINAMO DELLA BICICLETTA
IL MOTORE ELETTRICO

 LA RADIO

L'ELETTROMAGNETISMO


Il magnetismo è la capacità che hanno alcuni corpi di attirare metalli ferrosi (come il ferro, l'acciaio e tutte le leghe di ferro).  Quando questa caratteristica è di origine naturale parliamo di magneti, se invece è ottenuta artificialmente parliamo di calamite; i metalli ferrosi, infatti, possono essere magnetizzati e, in particolare, l'acciaio è detto magnete artificiale permanente perché una volta magnetizzato conserva questa caratteristica per sempre.
Una caratteristica che accomuna tutti i magneti (naturali e artificiali) è che essi possiedono due parti, (dette poli) nelle quali la capacità di attirare materiali è più intensa; si indica con polo Nord il polo positivo e con polo Sud il polo negativo. Poli opposti si attraggono, mentre poli uguali si respingono. Spezzando in più parti una calamita, ogni singola parte presenterà sempre un polo nord e un polo sud.


Quando un conduttore è attraversato da corrente elettrica genera un campo magnetico diventa cioè in grado di attrarre materiali ferrosi così come fa un magnete. Questo effetto è dovuto al movimento delle cariche elettriche, gli elettroni, che si muovono tutte nella stessa direzione.

il rapporto tra campo elettrico e campo magnetico

Tale effetto può essere amplificato avvolgendo a spirale un filo conduttore (detto solenoide o bobina) e collegando le sue estremità ad un generatore. Se introduciamo una barretta di ferro all’interno della bobina, quando quest'ultima viene percorsa dalla corrente elettrica la barretta si magnetizza e diventa in grado di attrarre piccoli pezzetti di ferro come fosse una calamita. La barretta metallica così magnetizzata prende il nome di elettrocalamita e il suo campo magnetico (cioè la porzione di spazio nella quale si registra l’effetto del magnetismo) è direttamente proporzionale al numero degli avvolgimenti del solenoide (dette anche spire) e all’intensità della corrente che lo attraversa, mentre è inversamente proporzionale alla lunghezza del solenoide.


schema di una elettrocalamita

un mezzo per il sollevamento dei rottami ferrosi. Funziona grazie ad una potente elettrocalamita


APPLICAZIONE: il campanello elettrico

Il campanello elettrico (ad esempio quello del cambio dell’ora a scuola...) è un’applicazione pratica dell’elettrocalamita; esso è costituito da una elettrocalamita comandata a distanza, il cui effetto di attrazione serve per far muovere un’asta su un estremo della quale è posto un martelletto.
 Il circuito è realizzato in modo che, schiacciando il pulsante, si fa scorrere corrente elettrica nel solenoide, attivando così l'elettrocalamita la quale attira la lamina flessibile fino a che il martelletto batte contro la campana. Quando questo succede, però, si apre il circuito (nel punto T dell'animazione) e la corrente cessa di circolare, con la conseguenza che il solenoide lascia cadere l’asta richiudendo il circuito e consentendo la ripetizione del ciclo che genera la successione di suoni caratteristica della campanella di fine lezione.



L'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA


Se facciamo variare il campo magnetico attorno ad un filo conduttore, ad esempio muovendo una calamita avanti ed indietro all’interno di una bobina, in essa si genera una differenza di potenziale (tensione elettrica) che provoca una corrente elettrica. Questo perché il sistema formato da bobina e calamita è in equilibrio quando la calamita è ferma, ma quando la calamita si muove, si modifica l’equilibrio delle cariche elettriche e si origina una corrente elettrica che cerca di ricreare l'equilibrio precedente.

schema di funzionamento dell'induzione elettromagnetica

Tale fenomeno è detto induzione elettromagnetica. e viene definito come la comparsa di una corrente elettrica all’interno di un conduttore immerso in un campo magnetico, ogni volta che si verifica una variazione del campo magnetico stesso.


In particolare, nella simulazione che segue, puoi notare come la corrente elettrica cambi di segno, cioè di direzione dei flussi di elettroni, ogni volta che invertiamo la direzione di movimento della calamita (si evidenzia dal movimento della lancetta dell’Amperometro), si parla in questo caso di corrente alternata.

GENERATORI ELETTRICI

Un'applicazione del fenomeno dell'induzione elettromagnetica sono i generatori elettromeccanici, macchine elettriche rotanti che trasformano energia meccanica in energia elettrica. 
esempio di generatore elettrico a corrente alternata
Esistono due tipi di generatori che, pur utilizzando lo stesso fenomeno dell'induzione, generano due tipi di corrente elettrica:
gli Alternatori o generatori di corrente alternata nei quali il flusso di elettroni cambia continuamente direzione muovendosi avanti e indietro all'interno del conduttore; il numero di volte che la corrente inverte completamente il suo ciclo in un secondo è detto frequenza e si misura in Hertz (Hz).
la rotazione della spira nel campo magnetico induce la tensione nel conduttore e la corrente viene trasportata all'esterno attraverso i contatti delle spazzole
Le Dinamo o generatori di corrente continua i quali producono una corrente che si muove sempre nella stessa direzione, simile a quella prodotta dalle pile e dagli accumulatori.
nella dinamo l'anello della spira viene diviso in più sezioni (arancio e viola nell'immagine) per ottenere una corrente continua in uscita

 Tutti i generatori, siano essi di corrente alternata o di corrente continua,  sono formati da due parti essenziali: un anello (detto spira) di materiale conduttore e un magnete. In genere è la spira che viene fatta ruotare (rotore) all'interno del campo magnetico prodotto dal magnete che è invece fisso (statore);  si determinano così quelle variazioni nel campo magnetico che inducono la tensione elettrica nel conduttore, ma teoricamente è indifferente quale delle due parti sia rotante, poiché ciò che conta è il moto relativo dell’una rispetto all’altra. 

APPLICAZIONE: la dinamo della bicicletta

Una delle applicazioni pratiche più frequenti in ambito moderno delle dinamo è dell'alimentazione dei fari delle biciclette, per quanto in disuso con l'avvento dei fari a led, e delle torce elettriche a manovella. 

una torcia a carica manuale smontata. Si notano, a sinistra, gli ingranaggi che mettono in moto il magnete (Rotore) e a destra la bobina elettrica con gli avvolgimenti della spira (Statore)
La dinamo da bicicletta  è costituita essenzialmente da due parti:

un magnete di forma cilindrica, libero di ruotare attorno al proprio asse;

una bobina di filo di rame, avvolta attorno al cilindro magnetico.



come è fatta una dinamo da biccletta
Il magnete è collegato ad una ghiera (un anello filettato) che si trova a contatto con la ruota della bicicletta. La ghiera viene messa in rotazione durante il moto, e con lei ruota il magnete. Ruotando, i poli Nord e Sud del magnete fanno variare il flusso del campo magnetico attraverso la bobina, generando per induzione una corrente elettrica nel circuito a cui la bobina è collegata.


Per effetto della rotazione del magnete la corrente prodotta inverte periodicamente la propria direzione, quindi, la dinamo della bicicletta non è propriamente una dinamo, che dovrebbe genererebbe corrente continua, ma  un alternatore.


IL MOTORE ELETTRICO
La dinamo è una macchina elettrica reversibile, ovvero può funzionare anche al contrario: a partire da energia elettrica, può produrre lavoro meccanico come motore elettrico.
Elettrodomestici come frullatori e lavatrici, lavastoviglie e asciugacapelli, ma anche automobili e mezzi pubblici, sfruttano il motore elettrico per trasformare energia elettrica in energia meccanica. Questo processo è l’inverso di quanto avviene nella dinamo o nell’alternatore che trasformano energia meccanica in energia elettrica.

Il motore elettrico che analizziamo funziona mediante una sorgente di corrente continua, come ad esempio una pila o una batteria di pile. I dispositivi che colleghiamo alla presa di corrente domestica, sorgente di corrente alternata, hanno al loro interno dei trasformatori per abbassarne il voltaggio, e un raddrizzatore per trasformarla in corrente continua. 

Un motore elettrico è costituito generalmente da un magnete che è la parte fissa (statore) e da una spira rettangolare di filo conduttore rigido, in grado di ruotare sul proprio asse che è la parte mobile (rotore) ed è immersa nel campo magnetico generato dai poli del magnete.
schema di un motore elettrico: spazzole (brush), armature (spira)

Quando la spira è percorsa da corrente elettrica diventa essa stessa un magnete (per effetto dell’induzione elettromagnetica) e genera a sua volta un campo magnetico. Per effetto delle leggi base del magnetismo i poli uguali dei due campi magnetici si respingeranno imprimendo alla spira una rotazione. Grazie a speciali dispositivi (detti collettori o spazzole) la direzione della corrente viene periodicamente invertita in modo che i poli dei due campi magnetici non possano mai trovarsi in equilibrio e la spira sia costretta continuamente a ruotare: abbiamo così trasformato energia elettrica (la corrente) in energia meccanica (la rotazione).



LA RADIO

La radio è un apparecchio elettrico in grado di ricevere onde radio attraverso un’antenna e di trasformarle in onde sonore (suoni) o in altri segnali che contengono informazioni. In particolare, se l’apparecchio è in grado solo di trasmettere è chiamato radiotrasmettitore o radiotrasmittente, se è in grado solo di ricevere è chiamato radioricevitore o radioricevente (solitamente si usa il termine sintonizzatore o tuner), se è in grado sia di ricevere che di trasmettere è chiamato ricetrasmettitore o ricetrasmittente.

Ma cosa è un’onda radio?
Una corrente alternata, di frequenza molto alta, fa nascere intorno al filo conduttore su cui viaggia, delle onde elettromagnetiche dette onde radio che si propagano nell'aria e nel vuoto allontanandosi dal punto di origine, in modo analogo alle onde sulla superficie di un lago. 

Le onde elettromagnetiche rappresentano qualcosa di estremamente familiare e della cui presenza facciamo continua esperienza nella vita di tutti i giorni.
Sono, infatti, onde elettromagnetiche:
_la luce emessa dal sole, da una lampada o da qualunque sorgente in grado di illuminare gli oggetti. E' ciò che chiamiamo la luce visibile;
 _le radiazioni infrarosse emesse dal termosifone o dai nostri corpi per il solo fatto di essere ad una certa temperatura;
 _le microonde emesse dai forni che utilizziamo per scaldare rapidamente le vivande;
 _le onde radio per mezzo delle quali sono possibili tutte le moderne telecomunicazioni (radio, televisione, cellulari...);
 _i raggi ultravioletti ai quali dobbiamo l’abbronzatura estiva;
 _i raggi X utilizzati in medicina per la radiografia delle ossa;
 _i raggi gamma che vengono emessi durante le reazioni di fissione nucleare e che sono estremamente dannose per i tessuti biologici. 

Tutte insieme queste manifestazioni delle onde elettromagnetiche compongono quello che si definisce lo spettro elettromagnetico.
  
lo spettro elettromagnetico

L'onda elettromagnetica è inoltre caratterizzata da due grandezze:

frequenza (f) che si misura in hertz (Hz) ed esprime il numero di oscillazioni compiute in un secondo;
lunghezza d'onda (λ l) che corrisponde alla distanza fra una cresta dell'onda e la successiva.
La velocità (v) di propagazione, infine, dipende non solo dalla frequenza e dalla lunghezza d'onda (secondo la relazione v= f x λ l  ), ma anche dal mezzo in cui si diffonde.

Quando un filo conduttore è investito da un'onda elettromagnetica, in esso si genera una corrente elettrica della stessa frequenza e di ampiezza proporzionale all'onda. Le onde elettromagnetiche e in particolare le onde radio, possono quindi essere utilizzate per trasmettere segnali tra località distanti senza la necessità di collegamenti fisici.

Una radio è quindi un apparecchio in grado di trasmette e/o ricevere onde elettromagnetiche.
Quello che però sentiamo sono vibrazioni meccaniche, cioè quelle vibrazioni dell'aria che il nostro orecchio è in grado di percepire grazie alla vibrazione del timpano. Ad esempio: il suono di una campana si propaga nell'aria perché il battacchio colpendola la mette in vibrazione e questa vibrazione si trasmette alle particelle d'aria che gli stanno attorno e queste, a loro volta, colpiscono il timpano all’interno del nostro orecchio.

Come fanno le onde elettromagnetiche a trasformarsi in vibrazioni meccaniche?
  
Una radio possiede due dispositivi in grado di effettuare queste trasformazioni, dette TRASDUTTORI, che sono:
1) IL MICROFONO, per la parte trasmittente, che trasforma un suono in corrente elettrica.
  
schema di un microfono
2) L'ALTOPARLANTE, per la parte ricevente, che riesce a trasformare il segnale elettrico in suono.
schema di un altroparlante


Il principio su cui si basa il funzionamento dei due trasduttori è molto semplice ed è il principio dell'induzione elettromagnetica.

LA TRASMISSIONE DEL SUONO


Il percorso che il suono deve compiere per arrivare dallo studio di registrazione all’antenna ricevente è relativamente semplice: per avere una trasmissione radio occorrono un apparecchio trasmittente e un apparecchio ricevente.

schema di una trasmissione radio

Il sistema trasmittente trasforma un suono, che si tratti di un brano musicale o della voce umana,  in un’onda elettromagnetica di frequenza e ampiezza variabili ed è costituito da: 1) Il Microfono , 2) L’ Oscillatore, 3)Il Modulatore, 4) L’ Antenna trasmittente.

Ogni suono provoca una vibrazione dell’aria, che a sua volta è in grado di far vibrare la MEMBRANA posta nel microfono, alla quale è collegata una BOBINA che entra anch’essa in vibrazione. Poiché tale bobina è immersa in un campo magnetico, in essa nasce una corrente elettrica che varia al variare delle vibrazioni. Si genera così un segnale elettromagnetico che però è troppo debole per poter essere trasmesso. Il modulatore viene quindi usato per modulare, cioè modificare un’onda di frequenza molto più alta generata dall’oscillatore e detta onda portante proprio perché porta letteralmente su di sé l’onda che si vuole trasmettere. La modulazione può avvenire modificando l’ampiezza dell’onda portante (modulazione d’ampiezza o AM) oppure la frequenza (modulazione di frequenza o FM). Nel primo caso le due onde vengono sommate l’una all’altra e quella che ne deriva è un’onda in cui varia l’ampiezza dell’oscillazione. Nel secondo caso la frequenza della portante varia seguendo i cambiamenti della voce. Quando questa è forte la frequenza aumenta, quando è più debole la frequenza diminuisce e le onde rimangono distanziate l’una dall’altra; infine, l’onda modulata viene inviata via cavo all’antenna trasmittente dalla quale viene emessa per essere raccolta dagli apparecchi radio.

la modulazione delle onde: l'onda di modulazione è il segnale prodotto dal microfono, nella modulazione di frequenza il questa aumenta dove il suono è forte, mentre si riduce dove il suono è debole; nella modulazione di ampiezza le due onde si sommano e quella che varia è l'oscillazione
  
L’ apparecchio ricevente è composto da: 1) Antenna Ricevente, 2) Sintonizzatore, 3) Demudulatore,4) L’amplificatore,5) L’Altoparlante.

Quando l’antenna ricevente (che è un filo conduttore) viene colpita dall’onda elettromagnetica il sintonizzatore sceglie la frequenza d’onda che si vuole ricevere (nello spazio, infatti, viaggiano moltissime onde elettromagnetiche pertanto è necessario selezionare il segnale desiderato) e il demodulatore separa l’onda portante dal segnale trasmesso; contemporaneamente l’amplificatore aumenta l’intensità del segnale, che altrimenti sarebbe troppo debole, affinché l'altoparlante possa  trasformare in suono il segnale elettrico utilizzando in senso inverso lo stesso principio illustrato per il microfono della trasmittente. La corrente arriva alla bobina che, immersa, in un campo magnetico inizia a oscillare e a far vibrare la membrana dell'altoparlante. La vibrazione della membrana è trasmessa all'aria e arriva al nostro orecchio dove è interpretata come suono.