Motori e selezione di quello giusto

Cosa fa muovere un motore?

La risposta più vaga e semplice è il magnetismo! Ok, ora prendiamo questa semplice forza e la trasformiamo in una super macchina!

Per semplificare le cose, dovremo esaminare alcuni concetti attraverso la lente dell’esperimento mentale. Alcune libertà saranno prese, ma se vuoi scendere e sporcarti con i dettagli, puoi consultare il dottor Griffiths. Per il nostro esperimento mentale, stiamo per affermare che un campo magnetico è prodotto da un elettrone in movimento cioè corrente. Mentre questo crea un modello classico da usare, le cose si rompono quando raggiungiamo il livello atomico. Per capire di più il livello atomico del magnetismo, Griffiths lo spiega in un altro libro…

Elettromagnetismo

Per creare un magnete o un campo magnetico, dovremo guardare a come vengono generati. La relazione tra corrente e campo magnetico si comporta secondo la regola della mano destra. Mentre la corrente passa attraverso un filo, un campo magnetico si forma attorno al filo nella direzione delle dita mentre lo avvolgono. Questa è una semplificazione della legge di forza di Ampère in quanto agisce su un filo di corrente. Ora, se metti lo stesso filo in un campo magnetico preesistente, puoi generare una forza. Questa forza è indicata come la forza di Lorentz.

Se la corrente viene aumentata, la forza del campo magnetico viene rafforzata. Anche se, per fare qualcosa di utile con il campo, ci vorrebbero quantità incredibili di corrente. Inoltre, il filo che trasporta la corrente avrebbe la stessa forza magnetica, creando così campi incontrollati. Piegando il filo in un anello, è possibile creare un campo diretto e concentrato.

Elettromagneti

Facendo scorrere il filo e passando una corrente, viene creato un elettromagnete. Se un ciclo del cavo può concentrare il campo, che cosa potete fare con più? Che ne dici di qualche centinaio in più! Più loop aggiungi al circuito, più forte diventa il campo per una data corrente. Se questo è il caso, perché non vediamo migliaia**, se non * * milioni, di avvolgimenti in motori ed elettromagneti? Bene, più lungo è il filo più alta resistenza ha. La legge di Ohm (V = I*R) dice che per mantenere la stessa corrente degli aumenti di resistenza, la tensione deve aumentare. In alcuni casi ha senso usare tensioni più elevate; in altri casi alcuni usano fili più grandi con meno resistenza. L’utilizzo di fili più grandi è più costoso ed è generalmente più difficile da lavorare. Questi sono fattori che devono essere pesati quando si progetta un motore.

Tempo di esperimento

Per creare il proprio elettromagnete, basta trovare un bullone (o altro oggetto rotondo in acciaio), un filo magnetico (calibro 30-22 funziona bene) e una batteria.

Avvolgere tra 75-100 giri di filo attorno all’acciaio. L’utilizzo di un centro in acciaio concentra ulteriormente il campo magnetico, aumentandone la resistenza effettiva. Andremo oltre perché questo è accade nella prossima sezione.

Ora, usando carta vetrata, rimuovere l’isolamento dalle estremità dei fili e collegare ciascun filo a ciascun terminale della batteria. Felicitazioni! Hai costruito il primo componente di un motore! Per testare la forza del tuo elettromagnete, prova a raccogliere graffette o altri piccoli oggetti in acciaio.

Ferromagnetismo

Guardando indietro all’inizio del nostro esperimento mentale, i campi magnetici possono essere prodotti solo da una corrente. Prendendo la definizione di corrente come un flusso di elettroni, gli elettroni che orbitano attorno a un atomo dovrebbero creare una corrente e quindi un campo magnetico! Se ogni atomo ha elettroni è tutto magnetico? SÌ! Tutta la materia, comprese le rane, può esprimere proprietà magnetiche quando viene data abbastanza energia. Ma non tutto il magnetismo è creato allo stesso modo. Il motivo per cui posso raccogliere viti con un frigorifero magnent e non una rana è la differenza tra ferromagnetismo e paramagnetismo. Il modo per differenziare i due (e alcuni altri tipi) è attraverso lo studio della meccanica quantistica.

Il ferromagnetismo sarà il nostro obiettivo, poiché è il fenomeno più forte ed è ciò con cui abbiamo più esperienza. Inoltre, per liberarci dal dover comprendere questo a livello quantistico, accetteremo che gli atomi di materiali ferromagnetici tendono ad allineare i loro campi magnetici con i loro vicini. Sebbene tendano ad allinearsi, le incongruenze nel materiale e altri fattori come la struttura cristallina creano domini magnetici.

Quando i domini magnetici sono allineati in un ordine casuale, i campi vicini si annullano a vicenda risultando in un materiale non magnetizzato. Una volta in presenza di un forte campo esterno è possibile riallineare questi domini. Allineando questi domini, il campo complessivo si rafforza, creando un magnete!

Questo riallineamento può essere permanente secondo la forza del campo. Questo è grande perché avremo bisogno di questi nella prossima sezione.

Magneti permanenti

I magneti permanenti si comportano allo stesso modo degli elettromagneti. L’unica differenza è, beh, sono permanenti.

In tutti i disegni, le frecce puntano lontano dal polo nord e verso il polo sud. Un’altra convenzione è usare il colore rosso per rappresentare il nord e il blu per rappresentare il sud. Per identificare una polarità magneti, è possibile utilizzare una bussola. Poiché gli opposti si attraggono, l’ago punterà a nord verso il polo sud del magnete.

È possibile eseguire lo stesso esperimento con un elettromagnete per determinare la polarità.

Se si inverte il flusso di corrente, si può vedere come un elettromagnete può invertire i suoi poli.

Questo è un principio chiave per la costruzione di motori! Ora, diamo un’occhiata ad alcuni motori diversi e come usano magneti ed elettromagneti.