L'elettromagnetismo

Il generatore elettrico di corrente alternata

Un generatore elettrico è uno strumento che trasforma energia meccanica in energia elettrica, il cui principio di funzionamento si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Se, tramite la variazione di un campo magnetico, è possibile indurre una corrente in un circuito, la corrente prodotta può anche essere utilizzata, per esempio per accendere una lampadina.

I generatori elettrici impiegati negli impianti per la produzione di elettricità sono strumenti piuttosto complessi, ma il loro principio di funzionamento è molto semplice. Schematicamente sono costituiti da uno o più avvolgimenti di filo conduttore (bobine), ai quali viene fornita energia meccanica per farli ruotare all'interno di un intenso campo magnetico. L'energia meccanica può essere fornita per esempio da una turbina mossa dall'acqua in un impianto idroelettrico, o dalla combustione in un impianto termoelettrico. La bobina, libera di ruotare, viene detta rotore, mentre il magnete fisso viene detto statore.

Quello che avviene in un generatore di corrente è esattamente l'inverso di quello che avviene in un motore elettrico, dove la forza esercitata dal magnete sul circuito percorso da corrente si traduce in una coppia di forze che imprimono al rotore un moto rotatorio, che può venire trasmesso a un albero e far funzionare un apparecchio elettrico (in pratica l'energia elettrica fornita al rotore è trasformata in energia meccanica). Nel caso del generatore elettrico, invece, nel circuito non passa inizialmente corrente, ma attraverso una qualche forma di energia meccanica gli si imprime una rotazione.

Per comprendere il sistema di funzionamento immaginiamo di avere una bobina semplice costituita da una spira quadrata. Il moto rotatorio della spira relativamente al campo genera il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, ovvero genera una corrente sulla spira stessa. L'intensità della corrente, come l'intensità della f.e.m. indotta, sarà proporzionale al flusso del campo magnetico: quando la spira è perpendicolare al campo magnetico l'intensità della corrente indotta sarà massima; diminuirà man mano che la spira ruota verso posizioni più oblique rispetto alle linee di forza del campo magnetico, fino ad arrivare a zero quando la spira si trova in posizione parallela al campo (in questa posizione il flusso del campo rispetto alla spira è nullo). Continuando a far ruotare la spira, il verso della corrente si inverte e l'intensità ricomincia ad aumentare man mano che la spira torna a offrire maggiore superficie alle linee di forza del campo, fino a un nuovo valore massimo, uguale al precedente ma di segno contrario, che va diminuendo ancora con il proseguire della rotazione della spira. La corrente prodotta da un generatore di questo tipo, quindi, non ha un'intensità costante, ma segue un andamento sinusoidale: una corrente di questo tipo è detta corrente alternata. Il corrispondente generatore di corrente si dice alternatore.

Di solito le bobine di un alternatore sono collegate tra loro in modo da costituire tre generatori di corrente alternata sfasate tra loro: si dice che l'alternatore produce una corrente trifase, che è quella che viene erogata nelle nostre case.

Caratteristiche della corrente alternata

In una corrente alternata si dice ampiezza il valore massimo I0 della corrente, mentre il periodo T è l'intervallo di tempo tra due valori massimi successivi (v. fig. 19.2) La frequenza della corrente, che si misura in herz, è l'inverso del periodo e rappresenta il numero di giri della bobina in un secondo. La frequenza delle reti elettriche che riforniscono le nostre case è di 50 Hz.

La potenza di un generatore di corrente alternata è data, come per la corrente continua, dal prodotto della differenza di potenziale per l'intensità di corrente. Contrariamente a quanto accade per la corrente continua, però, in questo caso sia la tensione sia l'intensità di corrente non sono costanti, ma variano nel tempo.

In genere si è soliti esprimere l'intensità e la tensione di una corrente alternata in termini di tensione efficace e di corrente efficace, dove per corrente efficace si definisce la corrente continua che produrrebbe in un resistore, nell'unità di tempo, la medesima quantità di calore generata dalla corrente alternata. La relazione tra corrente efficace (Ieff) e ampiezza (I0) della corrente alternata è:

(analoga reazione vale per la tensione efficace). Quando diciamo dunque che nelle nostre case circola una corrente elettrica di 220 V, indichiamo con questo valore la tensione efficace dei nostri impianti. La tensione massima sarà invece 220 V · 0,707 = circa 310 V. Usando la tensione e la corrente efficaci per un circuito a corrente alternata si può calcolare per esempio la potenza del sistema come se si trattasse di un sistema a corrente continua.

La corrente alternata è molto utilizzata nelle grandi produzioni di energia, perché è facile trasformarla in un'altra corrente, caratterizzata da valori diversi di tensione e corrente efficaci, e questo risulta molto comodo poiché in genere, nell'ambito della generazione, della distribuzione e del trasporto dell'energia elettrica, vengono utilizzati valori di tensione molto differenti. La tensione che arriva alle nostre case è generalmente bassa (220 V) per ragioni di sicurezza, ma nel trasporto si utilizzano valori di tensione alti (220-380 kV) per ridurre al minimo la sezione dei conduttori. Si chiama trasformatore lo strumento capace di trasformare una corrente alternata caratterizzata da una data tensione efficace in un'altra caratterizzata da una tensione efficace differente, con piccole perdite di energia.

Media

Figura 19.2

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