Motore elettrico
Un motore elettrico permette di convertire energia elettrica in lavoro, e in particolare in movimento, mediante l'azione combinata di una spira percorsa da corrente, di un campo magnetico esterno e di un commutatore che inverte il verso della corrente che scorre nella spira.
Per concludere in bellezza il corso sul Magnetismo analizziamo un apparato di cui spesso e volentieri sentiamo parlare nella vita quotidiana: il motore elettrico.
Prima di cominciare è necessaria una disambiguazione: a un livello di studi generale capita di riferirsi al motore elettrico anche con le espressioni motore magnetico o motore elettromagnetico perché, come vedremo tra un attimo, il suo funzionamento si basa sull'azione combinata di un campo magnetico e di una spira percorsa da corrente.
Al contrario, negli studi specializzati (Fisica applicata, Ingegneria) esistono tanti tipi di motori elettrici / magnetici / elettromagnetici. Quel che ci interessa qui, però, è descriverne il funzionamento in linea generale. ;)
Come funziona un motore elettrico
Il motore elettrico è un dispositivo che consente di convertire energia elettrica in lavoro. Il suo funzionamento è semplice: in ingresso viene immessa energia elettrica, fornendo corrente al motore, ed essa viene convertita in movimento.
Con questa premessa potrebbe sorgere spontanea una domanda: perché parliamo del motore elettrico nel corso sul Magnetismo e non in quello dedicato all'Elettrodinamica? In breve, perché il principio del motore elettrico si basa sulla forza che un campo magnetico esercita su un filo rettilineo percorso da corrente.
Quando inseriamo un filo percorso da corrente in un campo magnetico esterno, il filo subisce una forza che tende a spostarlo in una direzione perpendicolare al filo stesso e al campo magnetico. Tale forza è descritta dalla formula:
La forza è data dunque dal prodotto vettoriale tra il vettore 
, che ha modulo dato dalla lunghezza del filo, direzione individuata dal filo e verso dato dalla corrente 
, e il vettore 
che rappresenta il campo magnetico esterno.
Se il filo e il campo sono disposti perpendicolarmente, allora il modulo della forza è dato da:
Per sapere in quale direzione e in quale verso è orientata la forza bisogna usare la regola della mano destra: si pone il pollice lungo la direzione del filo e nel verso della corrente, l'indice nella direzione e nel verso del campo magnetico; in questo modo, distendendo il medio perpendicolarmente al palmo, avremo la direzione e il verso della forza.
Tenendo a mente questa premessa, vediamo come funziona un motore elettrico. In estrema sintesi il motore è costituito da una spira rettangolare inserita in un campo magnetico. Nella spira viene fatta circolare corrente elettrica, e la spira è in grado di ruotare attorno a un asse perpendicolare alle linee di campo.
Per analizzare il funzionamento del motore elettrico consideriamo come configurazione iniziale quella in cui la bobina è parallela alle linee di campo.
Motore elettrico - Configurazione iniziale.
Spira parallela al campo magnetico esterno.
In questa situazione sul filo in alto, che chiamiamo (1), e sul filo in basso, che chiamiamo (2), vengono esercitate due forze nella direzione e nel verso indicati in figura. Tali forze sono date dalla legge che abbiamo descritto in precedenza, perché i due fili sono percorsi da corrente e sono perpendicolari al campo magnetico esterno. Sugli altri due fili invece non si esercita alcuna forza, perché sono paralleli alle linee di campo e in questa situazione la forza è nulla.
Nella configurazione iniziale i fili (1) e (2) sono quindi soggetti a due forze aventi entrambe modulo dato da
Come si vede dalla figura le due forze 
tendono a far ruotare la spira (cfr: momento magnetico); la forza sul filo (1) infatti lo spinge verso destra, mentre quella sul filo (2) lo spinge verso sinistra.
La spira comincia così a ruotare, fino a portarsi in una nuova posizione in cui il piano della spira è perpendicolare alle linee di campo.
Motore elettrico - Configurazione intermedia.
Spira perpendicolare al campo magnetico esterno.
In questa situazione le forze sui fili (1) e (2) sono parallele e discordi, e non tendono più a far ruotare la spira bensì a deformarla verso l'esterno. Il moto rotatorio della spira perde quindi la spinta data dal campo esterno, ma non si blocca improvvisamente; la spira infatti continua a ruotare nello stesso verso di prima per inerzia.
Motore elettrico:
oscillazioni smorzate intorno alla posizione di equilibrio.
In questa configurazione le due forze tendono di nuovo a far ruotare la spira, ma questa volta nel verso opposto rispetto a prima. Ciò significa che la spira continuerà a oscillare avanti e indietro, fino a quando l'azione continua delle forze di attrito la fermerà nella posizione in cui il piano della spira è perpendicolare alle linee di campo. In altri termini, avremo oscillazioni via via ridotte intorno alla posizione di equilibrio.
In questo modo però il motore elettrico non serve a nulla: quello che vogliamo creare è un moto rotazionale continuo e non un moto oscillatorio destinato a smorzarsi nel tempo.
Per fare in modo che la spira possa ricevere la giusta spinta nel giusto verso è necessario invertire il verso della corrente quando la spira è disposta perpendicolarmente alle linee di campo.
Motore elettrico:
inversione della corrente e moto rotatorio continuo.
In questo modo i versi delle forze sui fili (1) e (2) si invertono. Ciò permette alla spira di ricevere una nuova spinta rotazionale con verso concorde a quello precedente. Quando la spira avrà compiuto un ulteriore mezzo giro e avrà riportato il proprio piano perpendicolare alle linee di campo, dovremo invertire nuovamente il verso della corrente per invertire anche il verso della forze, cosicché la spira continuerà a ruotare nel giusto verso per un ulteriore mezzo giro, e così via.
In sintesi, per fare in modo che la spira continui a ruotare senza alcuna interruzione, è necessario che il verso della corrente si inverta ogni volta che la spira raggiunge la posizione di equilibrio. Ciò è reso possibile grazie a un dispositivo chiamato commutatore, che svolge proprio questo compito.
L'azione del commutatore nel motore elettrico fa sì che il moto rotatorio della spira sia continuo: in questo modo si riesce a convertire energia elettrica in lavoro, che ad esempio possiamo sfruttare per fare girare le ruote di un tram o le pale di un frullatore.
Se vi state chiedendo cosa fanno gli altri due fili della spira, la risposta è: nulla! In certe posizioni della spira infatti su questi fili non viene esercitata alcuna forza (quando sono paralleli al campo esterno); nelle altre configurazioni vengono esercitate delle forze dirette verso l'esterno della spira e opposte, che non contribuiscono alla sua rotazione e che tendono solo a deformarla. Per costruzione, però, la spira può considerarsi indeformabile rispetto alla loro azione, motivo per cui nell'analisi del motore elettrico le abbiamo trascurate.
Il corso dedicato al Magnetismo termina qui, ma ci sono ancora tanti fenomeni da studiare e tanto altro ancora da scoprire. Ci vediamo tra le lezioni dedicate all'Elettromagnetismo! ;)
Buona Fisica a tutti!
Alessandro Catania (Alex)
Tags: come è fatto un motore elettrico e cosa si intende per motore elettrico.
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