Datemi una PWM e tre sensori e vi controllerò un motore

Se c’è una cosa che ti lascia in eredità il corso di elettromagnetismo è che i campi magnetici sono antipatici. Quelli elettrici sono facili: basta tirare un po’ di freccette e grosso modo si capisce che forma avrà il campo totale o da che parte si muoveranno le cariche. I campi magnetici tirano dentro i rotori e la regola della mano destra; devi iniziare a ragionare in termini di vettori entranti o uscenti dalla pagina e via di questo passo. Ma la presenza dei rotori nelle equazioni di campo magnetico, oltre a introdurre complessità, introduce anche possibilità. Costruire campi magnetici che ruotano è facile: basta saper giocare con le correnti. E con i campi magnetici che ruotano ci si possono fare tante cose, dalla risonanza magnetica ai motori elettrici. Come questo sia possibile lo scoprirete in quest’articolo.

Le magie dei campi magnetici

Tutti quanti, ad un certo punto della vita, ci siamo trovati a giocare con le calamite. Ci sono i giochini semplici, quelli che fai avvicinando due calamite per capire qual è la distanza minima dopo la quale iniziano ad attrarsi, o tenendo una calamita sospesa sopra ad un qualche oggetto metallico e facendola scendere pian piano, fino a che, ad un certo punto, se l’oggetto è abbastanza leggero… Magia! L’oggetto salta su e si va ad attaccare alla calamita! Oppure prendi calamite di poli opposti e ne usi una per respingere l’altra: le avvicini, forzandole a stare una contro l’altra, anche se le senti chiaramente tremarti in mano e tentare di sfuggirti dalle dita. I più arditi tentano esperimenti più sofisticati, tipo quelli che prevedono di cospargere un foglio di limatura di ferro e di poggiarci sotto (mi raccomando, bambini, non sopra, sennò fate un macello!) una calamita. Magicamente dovrebbero formarsi le linee di campo magnetico. Anche se l’esperimento non dovesse funzionare, rimane intatto lo stupore davanti alle piccole particelle di ferro che si muovono da sole, attratte dalla calamita (per non parlare delle scintille che sprizzavano dalla mola che avete usato per farla, quella limatura!).

Figura 1: L'elettromagnete.

Figura 1: L'elettromagnete.

 

Anni dopo, di solito dalle parti del liceo, ti presentano un concetto simile, che è quello di elettromagnete. Prendete del filo percorso da corrente e avvolgetelo attorno ad un bullone (Figura 1): il tutto si comporterà come una calamita! E se scambiate il verso della corrente (basta scambiare i morsetti della batteria), la calamita cambia polarità! Sarà solo all’università che ti spiegheranno i solenoidi, la regola della mano destra e il fatto che se non ci metti il bullone per aumentare la µ il campo è troppo basso per servire a qualcosa, ed è solo lì che capirai come funziona un elettromagnete. Ma non ci vuole una comprensione così profonda per iniziare a pensare un po’. Muovete una calamita accanto all’ago di una bussola e quello seguirà fedelmente la calamita.  Spostate bruscamente la calamita da un capo all’altro della bussola e l’ago ruoterà vorticosamente per riallinearsi alla calamita. Ma se attaccassi un’asse all’ago della calamita, quello inizierebbe a ruotare, tipo motore? In effetti sì. E in effetti, spostare la calamita da un lato all’altro della bussola equivale a invertire la polarità del campo magnetico esterno in cui è immerso l’ago. Quindi, se posso generare un campo magnetico pompando corrente in un solenoide, e se per invertirlo mi basta scambiare il verso della corrente, e quindi all’atto pratico semplicemente come sono collegati due fili, non è che riesco a far ruotare un’asse semplicemente giocando con i versi delle correnti?

I motori in corrente continua

Figura 2 - Un semplice motore elettrico.

Supponiamo di mettere una calamita tra due elettromagneti (Figura 2). La calamita la imbulloniamo per bene ad una superficie, magari facendo passare una vite per il suo centro, abbastanza lasca da farla ruotare. La calamita tenderà a ruotare in senso orario, così da allineare il suo polo nord al solenoide sud e il suo polo sud al solenoide nord. Se nel momento in cui la calamita si allinea ai solenoidi (o, meglio ancora, leggermente prima) cambiassimo la loro polarità, la calamita si troverebbe con il polo nord sul solenoide nord e con il polo sud con il solenoide sud, e tenderebbe a continuare a girare in senso orario. Se, una volta allineata di nuovo nord con sud e sud con nord, cambiassimo di nuovo la polarità dei solenoidi, la rotazione continuerebbe. Se attaccassimo una ruota alla calamita, avremmo un motore elettrico!

Questo, sostanzialmente, è il principio di funzionamento dei cosiddetti motori in corrente continua. Questi motori utilizzano un commutatore a spazzole per cambiare la polarità dei solenoidi. Una spazzola è semplicemente un contatto strisciante, tipo tergicristalli, che passa da un contatto all’altro ogni tot tempo. Si tratta di motori molto [...]

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