Elementi di elettromagnetismo e macchine elettriche

(la videolezione) Una macchina elettrica è un qualunque apparato, funzionante sulle basi delle leggi dell’elettromagnetismo, che sia in grado di convertire energia meccanica in energia elettrica, ovvero di realizzare la trasformazione inversa, cioè trasformare energia elettrica in energia meccanica. Sono macchine elettriche anche quei dispositivi che consentono di modificare il valore oppure le caratteristiche di una grandezza elettrica. Le due leggi principali che regolano il funzionamento di queste macchine sono la legge di Faraday-Neumann-Lenz  e la legge di Lorentz,  che descrivono le interazioni tra campi magnetici e correnti elettriche. Sia nei motori che nei generatori, queste due leggi lavorano in tandem. In un motore, la corrente crea un campo magnetico che interagisce con un altro campo magnetico (della parte fissa), generando la forza di Lorentz che provoca la rotazione. Allo stesso tempo, il movimento del conduttore nel campo magnetico induce una f.e.m. che si oppone alla tensione di alimentazione (nota come f.e.m. di rotazione). In un generatore, è il movimento meccanico a indurre una f.e.m. (legge di Faraday) che, se il circuito è chiuso, genera una corrente. Questa corrente a sua volta crea una forza di Lorentz che si oppone al moto, un fenomeno essenziale per la conversione di energia.

A completamento di quanto detto sopra, si parla di macchina, senza aggiungere altro, ogni qual volta si ha a che fare con un dispositivo che realizzi la conversione di energia meccanica, o qualsiasi altra forma di energia, in energia elettrica: pensiamo, ad esempio, ai generatori; non sappiamo bene secondo quali trasformazioni energetiche funzionino, ma siamo certi che si tratta di bipoli i quali, a spese di un’altra forma di energia, mettono a disposizione del circuito, a cui sono collegati, una certa quantità di energia elettrica. Invece, si chiama motore un qualsiasi apparato che realizza la conversione duale, quella, cioè, che trasforma l’energia elettrica in energia meccanica. Le macchine elettriche vengono tradizionalmente divise in due grandi gruppi: macchine statiche e macchine rotanti.

Le macchine statiche, così dette perché prive di parti in movimento, modificano il valore della corrente o della tensione alternata forniti in ingresso mantenendo pressoché inalterato il valore della potenza: a questa prima categoria appartiene, senza dubbio, il trasformatore. Le macchine rotanti, nelle quali è presente una parte che ruota attorno ad un asse, appartengono a tre tipi fondamentali: il tipo sincrono, che opera in regime sinusoidale e con velocità di rotazione costante; il tipo asincrono, che funziona sempre in regime sinusoidale con una velocità di rotazione dipendente dal campo magnetico interno alla macchina e variabile con il carico; il tipo a corrente continua, che opera in regime stazionario, poiché l’energia viene fornita o prodotta in corrente continua.