Induzione elettromagnetica, modello semplificato di alternatore, fem e corrente efficaci

Funzionamento dell’alternatore

• Spiega il funzionamento dell’alternatore.
• Per quale motivo si sceglie di collegare i contatti striscianti con due semianelli?
• Quanto valgono i valori efficaci della f.e.m. e della corrente indotte?
• Come puoi quantificare la quantità di carica che ha attraversato la sezione del conduttore in un periodo nel caso in cui i contatti mobili striscino su due semianelli?

Spiega il funzionamento dell’alternatore.

Per quale motivo si sceglie di collegare i contatti striscianti con due semianelli?

La corrente elettrica che usiamo nelle nostre case è generata nelle centrali elettriche dagli alternatori, che sono un'applicazione della legge sperimentale dell'induzione elettromagnetica.

L’alternatore è un dispositivo che trasforma energia meccanica in energia elettrica. Schematicamente, lo si può immaginare costituito da una spira girevole intorno a un asse, dentro un campo magnetico generato da una elettrocalamita fissa. Gli estremi della spira sono saldati a due anelli metallici, collettori, che ruotano insieme alla spira. Sui collettori poggiano due contatti striscianti, spazzole, realizzati con blocchetti di carbone, grafite, che hanno la funzione di inviare la corrente indotta nella spira verso il circuito esterno, senza impedire la rotazione della spira stessa.

Elementi di un alternatore: modello semplificato

Mentre la spira ruota, il flusso del campo magnetico che attraversa l’area della spira stessa cambia perché varia il numero di linee che la attraversano. Per quanto visto al punto e) di questo elaborato per la legge di Faraday-Neumann-Lenz, più rapidamente si muove la spira, maggiore è la forza elettromotrice e quindi anche la corrente indotta nella spira. Seguendo il moto della spira vista in sezione, riportiamo l’andamento del flusso in un giro completo di 360°:

• All'inizio il flusso è massimo quando l'angolo tra il campo e il vettore della spira vale 0°;
• È nullo a 90°;
• Diventa minimo, cioè negativo, a 180°, perché le linee del campo magnetico entrano nella faccia positiva della spira;
• Si annulla di nuovo a 270°;
• Torna massimo a 360° nella posizione di partenza.

F.e.m. alternata

Il flusso magnetico che varia produce una f.e.m. variabile nel tempo che si ripete sempre uguale dopo un periodo T, lo stesso tempo impiegato dalla spira a fare un giro completo. Questa f.e.m. alternata provoca una corrente alternata che scorre con intensità variabile, per metà periodo in un senso e per l'altra metà periodo nel senso opposto, e f.e.m. e corrente indotta hanno infatti andamento sinusoidale.

I contatti striscianti realizzati con due semianelli.