Fisicamente

di Roberto Renzetti

Roberto Renzetti

INTRODUZIONE

        Intorno al 1830 la scienza elettrica e magnetica era pronta per le applicazioni pratiche.

        Vi era stata una grande accelerazione a partire dalla scoperta della pila proprio nell’anno 1800 che aveva visto la realizzazione dell’accumulatore elettrico (il tedesco J. Ritter – 1803), quella dell’arco elettrico(1) (l’inglese H. Davy – 1809), l’elettromagnete(2) (l’inglese W. Sturgeon – 1825), la pila Daniel (l’inglese J. Daniel – 1830),

L’elettromagnete di Sturgeon. Transactions of the Society for
the Encouragement of the Arts

43 (1824), Plate 3, Fig. 13.
Smithsonian neg. no. 46,761-D.

e vari altri ritrovati tra cui strumenti di misura ed affinamenti teorici.

        Nel 1821 (3 e 4 settembre) vi fu un’altra accelerazione a seguito della scoperta di Faraday della rotazione elettromagnetica.

Michel Faraday

Il pregiudizio di azioni circolari che Faraday condivise con Oersted, fu da guida alla realizzazione, da parte dello stesso Faraday(3), del principio del primo motore elettrico. Con l’apparato sperimentale di figura

La rotazione elettromagnetica di Faraday

La rotazione elettromagnetica di Faraday vista in modo schematico

riuscì a realizzare il moto circolare di un magnete intorno ad una corrente e, simultaneamente, di un filo percorso da corrente intorno ad un magnete. L’apparato è costituito da due coppe di vetro; all’interno delle coppe vi è del mercurio che permette la chiusura del circuito mediante un contatto strisciante (il conduttore rigido si muove mantenendo il contatto elettrico con il mercurio); i conduttori che escono da sotto le coppe sono collegati ad una batteria; quando passa corrente il magnete della coppa di sinistra ed il conduttore della coppa di destra cominciano a ruotare vorticosamente intorno, rispettivamente, al conduttore fisso ed al magnete fisso. E’ il principio del motore elettrico che occorreva rendere praticamente utilizzabile, anche se da qui la cosa sembra fantastica. Eppure, appena 10 anni dopo, lo statunitense Joseph Henry (1797-1878) costruisce il primo motore elettrico (si tratta in realtà di un elettromagnete oscillante) che resta un apparato dimostrativo pur mostrando più da vicino l’utilizzabilità della scoperta di Faraday.

Joseph Henry

Henry’s oscillating electromagnet
motor. From Silliman’s American
Journal of Science
 20 (July 1831): 342.
Smithsonian neg. no. 46,797-E.

Per seguire la seguente illustrazione si tenga presente anche la figura più sotto. A-B sono due elettromagneti vincolati ad oscillare nel piano di figura. C e D sono due magneti permanenti con la medesima polarità rivolta verso l’alto. Quando i fili o p che alimentano l’elettromagnete di sinistra sono collegati in l m alla pila G, l’elettromagnete A acquista la stessa polarità del magnete permanente C che è sotto e quindi viene respinto (tende a salire). Con questa azione accadono due cose: 1)  i contatti o p con l m si interrompono e l’elettromagnete A cessa di essere tale; 2) si vanno a realizzare i contatti di q r con s t  della pila F di modo che entra in funzione l’elettromagnete B che presenta la stessa polarità affacciata con D. Allora D respinge B, nel farlo si interrompono i contatti della pila F … eccetera.

L’elettromagnete oscillante di Henry visto in modo schematico

Reconstruction of Henry’s original
oscillating electromagnet motor.
N.M.A.H. Cat. No. 244,904.
Smithsonian neg. no. 24,976-A.

Henry’s modified oscillating
electromagnet motor, at Princeton.
Smithsonian neg. no. 16,188.

        Sempre nel 1831 si ebbe un’altra fondamentale scoperta di Faraday: l’induzione elettromagnetica che devo illustrare in breve perché si capisca ciò che seguirà.

L’INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

        Sembra che l’idea di tentare la strada delle esperienze che seguono siano state suggerite a Faraday dal suo amico G. Moll(4), il quale aveva scoperto che gli elettromagneti molto potenti avevano la proprietà di cambiare immediatamente la polarità se si cambiava in essi il verso della corrente. Egli iniziò con il realizzare un elettromagnete che, per la sua forma, doveva risultare molto intenso e tale da magnetizzare istantaneamente un circuito vicino. Scelse un grande anello di ferro nella metà del quale arrotolò più volte un filo conduttore le cui estremità erano collegate ad una pila. Nell’altra metà dell’anello arrotolò più volte un filo conduttore le cui estremità erano collegate ad un galvanometro come mostrato in figura

Schema del dispositivo con cui Faraday scoprì l’induzione elettromagnetica

Apparato originale di Faraday

Come realizzare facilmente l’esperienza di Faraday

        Collegando la batteria, l’anello di ferro si magnetizzava ed il galvanometro indicava un breve passaggio di corrente. Allo scollegare la pila, l’anello si smagnetizzava ed il galvanometro registrava ancora un breve passaggio di corrente.

        Con tale esperienza Faraday aveva fatto varie cose insieme. Mentre Oersted aveva fatto vedere che l’elettricità produce effetti magnetici, egli inverte la questione e fa vedere che fenomeni magnetici diventano elettricità. E riesce a cogliere un aspetto fondamentale: ogni volta che si ha una variazione “del magnetismo”, cioè del campo magnetico, nasce una corrente. Detto meglio: intorno ad un elettromagnete (o magnete che sia) vi è un campo magnetico, costituito, come pensato da Faraday, da un certo numero di linee di forza. Se noi mettiamo in questo campo un filo conduttore collegato, in un semplice circuito, ad un galvanometro, osserveremo che se magnete e circuito sono in quiete relativa non accade nulla; ma se o il magnete o il circuitino si muovono l’uno rispetto all’altro, allora il galvanometro segna passaggio di corrente. E’ il moto relativo tra magnete (campo magnetico, che indicheremo con B) e circuito che provoca il passaggio di corrente nel circuito stesso non alimentato altrimenti.  E, a tale moto relativo, si associa una variazione del numero (o del flusso, che indicheremo con F) delle linee di forza concatenate con il circuito (o tagliate dal circuito). Per ottenere tale moto relativo si può agire in differenti modi che ora illustro (alcuni dei quali dovuti allo stesso Faraday che si dilungò molto su queste esperienze con l’abilità, l’inventiva e la grande manualità che lo contraddistingueva).

        Il primo modo di ottenere correnti indotte dal moto relativo di un magnete o elettromagnete ed un circuito non altrimenti alimentato è quello di figura seguente:

Induzione elettromagnetica che si ottiene muovendo un magnete dentro una bobina.

        Abbiamo a che fare con un magnete permanente che viene alternativamente infilato e sfilato da una bobina di filo di conduttore di rame che si chiude su un galvanometro (verso il quale portano i due fili f ed f’). Finché c’è moto relativo (è anche possibile mantenere fermo il magnete e fare muovere in su ed in già la bobina o fare muovere entrambi), il galvanometro segnerà passaggio di corrente, in un verso quando il magnete viene infilato ed in verso opposto quando viene sfilato. Vale la pena dire che più velocemente si ha il movimento, quanto maggiore è la corrente che circola nel circuito. Quindi, in definitiva è meglio dire che la corrente indotta è tanto maggiore quanto maggiore è la velocità di variazione del flusso del campo magnetico. Questa situazione è molto schematicamente rappresentata anche dalla figura seguente:

e seguente:

        Il secondo modo è quello di figura seguente:

        Ora l’induzione elettromagnetica si ottiene senza spostamenti ma facendo variare il campo magnetico. Si collega e si scollega la pila alternativamente. Al collegarla, nella bobina B circola una corrente e quindi si crea un campo magnetico; analogamente scollegando la pila: in tal caso un campo magnetico esistente viene annullato e quindi anche qui vi è variazione.

        Il terzo modo è quello di figura seguente:

        La variazione di flusso del campo magnetico si ottiene ora facendo variare l’intensità della corrente cha va alla bobina. Poiché a maggior corrente circolante in una bobina corrisponde maggior campo magnetico, se si inserisce una resistenza variabile (quella indicata con d) e la si fa variare, varia la corrente circolante nella bobina e varia il campo magnetico. Come nei casi precedenti il campo magnetico variabile induce (meglio sarebbe dire autoinduce) sulla bobina una corrente.

        La figura seguente è l’ultimo modo che presento:

        Siamo ora come nel primo modo visto, con la differenza che il magnete permanente è sostituito da un elettromagnete alimentato da una pila.

        Per i non addetti ai lavori sembra difficile cogliere applicazioni pratiche di queste sensazionali esperienze. Eppure qui vi è nientemeno che la corrente alternata, le dinamo ed ogni apparato moderno di elettricità industriale. Cerco di descriverne i vagiti.

        Inizio con il mostrare lo schema di principio dell’apparato per la produzione di corrente alternata (alternatore), che segue immediatamente dalla scoperta di Faraday. Mi riferirò alla figura seguente:

Schema di principio di un alternatore: N-S sono le espansioni polari di un magnete chiuso ad anello (può anche essere un elettromagnete alimentato da parte della corrente che viene prodotta); ABCD è un circuito elettrico elementare (una spira) che ha i suoi terminali costituiti da due spazzole s s’ che strofinano su due anelli a a’ collegati ad un galvanometro G. Le frecce indicano il verso di rotazione della spira nel campo magnetico del magnete, rappresentato dalle linee di forza che vanno da N ad S.

        Se con una manovella mettiamo in rotazione la spira immersa nel campo magnetico, avremo una variabilità continua delle linee di forza del campo concatenate con il circuito medesimo. La situazione di figura ci dà il massimo di linee di forza concatenate con il circuito ma, al ruotare della spira si presentano, al primo giro le seguenti situazioni:

  (1)                   (2)                       (3)                        (4)                         (5)

In (1) la spira è sistemata come nello schema dell’alternatore mostrato nella figura precedente. Siamo con la spira perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico indicato con B. La spira raccoglie il massimo numero di linee di forza  che vanno dal polo N al polo S.

In (2) la spira ha ruotato, nel verso indicato dallo schema ed intorno all’asse tratteggiato di figura, di 90°. In questa situazione nessuna linea di forza del campo magnetico attraverserà più la spira.

In (3) è continuata la rotazione della spira di altri 90°. Siamo tornati ad una situazione simile alla (1) sono che ora le linee di forza del campo magnetico entrano dalla parte opposta della spira.

In (4) altra rotazione di 90° e ritorno alla situazione (2).

In (5) ultimi 90° per chiudere un giro completo di 360°e ritorno alla situazione (1).

        In tutto questo giro si è realizzato un continuo cambiamento delle linee di forza concatenate(5) con il circuito. Il giro si ripete e tutto si svolge ancora come ora descritto. Nelle macchine industriali che sfruttano questo principio il numero di giri è in genere di 50 al secondo (ma può arrivare a 60 al secondo). E’ ciò che conosciamo come una caratteristica della nostra corrente che diciamo essere di 50 hertz (Hz). Naturalmente si otterrebbero più vantaggi a fare, ad esempio, una corrente da 100 Hz ma quando dalla fisica si passa alle realizzazioni pratiche si deve tener conto di svariate compatibilità. In questo caso, avere un sistema meccanico che ruota a velocità gigantesche può distruggere l’intero sistema per l’intensità delle forze centrifughe messe in gioco.

        Passo ora in breve a vedere come tutto questo e quanto detto in precedenza sull’induzione elettromagnetica possa essere formalizzato. Intanto è utile osservare che Faraday non conosceva la matematica e tutte le cose le scriveva nei dettagli ma senza utilizzare formule. Fu relativamente facile per il matematico tedesco Franz Ernst Neumann (1798-1895)(6), della Scuola Elettrodinamica Tedesca che annoverava nientemeno che C. F. Gauss (1777-1855), Wilhelm Weber (1804-1891), Bernhard Riemann (1826-1866),  scrivere una relazione matematica che descrivesse questi fenomeni. Vediamola.

        Innanzitutto fissiamo alcune grandezze. Una è il flusso del campo magnetico  F(B) che indica quante linee di forza del campo magnetico B passano attraverso una data superficie, l’altra è la variazione di tale grandezza nel tempo che si indica con d/dt (derivata o variazione istantanea rispetto al tempo). Ebbene, se si fa variare nel tempo il flusso del campo magnetico concatenato con una spira, ai suoi capi si ottiene una tensione o forza elettromotrice che indichiamo con (e che avrà un andamento di tipo sinusoidale).In definitiva, la legge di Faraday – Neumann (1845) è:

e quanto dicevo a proposito dell’andamento sinusoidale è all’interno della funzione  Φ(B) che non è ora il caso di studiare. Il fatto che la E sia una grandezza sinusoidale fa dire che le tensioni prodotte dagli alternatori sono alternate e quindi che le corrente prodotte da tali tensioni sono correnti alternate.

        Dalla legge scritta si vede subito che per avere una grande tensione E occorre avere un grande campo magnetico B, un grande flusso di B, ed una grande velocità di variazione di tale flusso che, come già detto, si ottiene facendo ruotare non già una spira ma delle bobine opportunamente sistemate all’interno di un campo magnetico con una velocità di 50 giri al secondo.

        Prima di passare a vedere qualche figura di tale macchine nella loro evoluzione, è utile osservare che l’alternatore che abbiamo discusso è una macchina che può essere realizzata non più per produrre correnti alternate ma correnti continue o quasi (dinamo)(8) e concepita per funzionare alla rovescia. Ho ora descritto un sistema al quale si forniva moto meccanico per avere corrente elettrica. E’ possibile invece avere la stessa macchina (con accorgimenti opportunamente diversi) alla quale si fornisce energia elettrica perché essa ci dia energia meccanica. Ed è questa la struttura di tutti quelli che oggi conosciamo ed usiamo come motori elettrici (una vera quantità): trapani, torni, frullatori, spremiagrumi, … ma anche giostre, filobus, treni, …

LE MACCHINE MAGNETO-ELETTRICHE

        Le prime macchine che vennero realizzate non godevano ancora delle classificazioni che oggi facciamo (in prima approssimazione: motori elettrici e generatori di elettricità, con questi ultimi che si possono suddividere in alternatori e dinamo). Venivano su così, una dopo l’altra, mescolando sistemi e modalità di funzionamento. Preferisco seguire per un poco il susseguirsi storico delle diverse macchine per poi definire una qualche classificazione.

        La prima macchina che sfruttava la teoria di Faraday per produrre corrente elettrica fu realizzata dal costruttore di strumenti scientifici Hippolyte Pixii (1808-1835) nel 1832 e presentata all’Accademia delle Scienze di Parigi nel 1832. Nella sua macchina, rappresentata in figura,  Pixii fa ruotare manualmente il magnete a-b con la manovella visibile in basso, producendo in tal modo una variazione del

Macchina di Pixii

campo magnetico nelle due bobine B e B’ fissate in alto sull’armatura di legno. Le bobine, soggette a questa variazione di campo magnetico forniscono corrente elettrica che viene trasferita e quindi è possibile prelevare in E ed E’.

        Solo un anno dopo ad un congresso a Cambridge fu presentata da Saxton una macchina che funzionava con un principio opposto a quella di Pixii: invece di far ruotare un magnete permanente e mantenere fisso l’elettromagnete, si mantenne fisso il magnete permanente e si mise in rotazione l’elettromagnete. Sempre nel 1833 lo stesso Pixii sostituì i contatti striscianti su anelli con un commutatore(8) per avere una corrente quasi continua o meglio unidirezionale (l’accorgimento gli era stato consigliato da Ampère).

        Il primo costruttore su scala commerciale di tali macchine fu il londinese E. M. Clarke che ideò un generatore magneto – elettrico e lo commercializzò a Londra (1834). La macchina di Clarke, che utilizza il sistema Saxton, è mostrata in figura.

Macchina di Clarke

In essa, anziché avere le variazioni di flusso di campo magnetico  al di sotto dei poli magnetici, la si originava a fianco del magnete permanente A mediante due bobine B e B’ messe in rotazione da un sistema a manovella R. Si può notare che a e b sono i due contatti striscianti che lavorano su un commutatore (se così non fosse non si avrebbe l’elettrolisi dell’acqua come mostrato nella figura piccola a lato nella quale la corrente prodotta viene convogliata ad un voltametro). Tale macchina era essenzialmente utilizzata in laboratori scientifici perché poteva fornire corrente in modo più economico (ed a maggiore intensità) delle pile. Ma se ne vendevano molte per le solite e mai finite manie terapeutiche: il paziente prendeva i terminali elettrici e qualcuno azionava la manovella. La quantità di corrente che avrebbe dovuto alleviare le pene dei pazienti poteva essere variata variando la velocità di rotazione della manovella.

        Macchine di questo tipo, più sofisticate, furono realizzate a Lipsia nel 1843 da Stohrer. In esse gli effetti venivano moltiplicati facendo ruotare con un sistema

Macchina di Stohrer

a manovella tre magneti permanenti collegati tra loro sotto sei bobine fisse.

        Nel 1850 vi fu invece il primo tentativo da parte del francese F. Nollet (1794-1853), parente del Nollet dell’elettrostatica, di utilizzare queste macchine per l’illuminazione mediante fari. Occorreva quindi una macchina molto grande per produrre l’energia richiesta.

        L’energia elettrica richiesta serviva per sostituire il metodo di illuminazione Drummond(9) in uso intorno al 1850 producendo le grandi quantità di idrogeno ed ossigeno richieste mediante elettrolisi dell’acqua. Nollet non riuscì a realizzare la macchina che aveva pensato ed essa restò nelle mani di Joseph van Malderen capomastro della società di illuminazione Compagnie de l’Alliance che aveva finanziato Nollet. Il progetto originale fu modificato al fine di produrre direttamente illuminazione con la macchina e per realizzare il tutto si chiese la

Macchina di Nollet e Van Malderen (altezza della macchina: 1,65 metri; peso: circa 2 tonnellate)

consulenza del britannico Frederick Hale Holmes. Questo progetto non andò in porto per il fallimento della Compagnie anche se la macchina realizzata da Holmes risultava efficiente (e l’azienda si ricostituì non più al fine di illuminazione ma per la produzione dei generatori che erano stati realizzati). Holmes, per parte sua aveva acquisito tanta esperienza da riportarla in Gran Bretagna dove tra il 1856 ed il 1860 ottenne vari brevetti per generatori magneto-elettrici.

        Fornisco in breve alcune caratteristiche della macchina di Nollet e Van Malderen. Su di un telaio di ghisa delle traverse di legno sostengono 8 serie di 5 fasci magnetizzati F, F, F, … , magnetizzati al punto che ciascuno può sostenere fino a 70 kg. Il sistema ha la disposizione di figura con cinque corone parallele di 8 magneti ciascuna i cui 16 poli, alternativamente contrari, sono disposti lungo una circonferenza. Questa parte della macchina è fissa (induttore) contrariamente a quella che ora descrivo, ruotante intorno ad un asse centrale (indotto) e mosso da una macchina a vapore di 4 cavalli(10). Si tratta di 4 dischi di bronzo (uno di essi è rappresentato nella figura seguente) alloggiati tra le corone di magneti; su ciascuno dei dischi sono disposte sedici bobine (A, B, C, …) con avvolgimenti nello stesso

verso a distanze regolari; esse sono collegate tra loro mediante un conduttore elettrico che passa da un estremità di una bobina a quella opposta della seguente (di modo che una stessa corrente le attraversa in direzioni opposte) allo stesso modo con cui si collegano delle pile in serie (ma i collegamenti possono essere fatti in modo diverso a seconda se si vuole utilizzare la macchina come generatore di alte tensioni o di alte correnti). Queste bobine passano successivamente davanti ai 16 poli dei magneti tra i quali si muovono producendo 32 correnti indotte, con versi alternativamente opposti. Proprio questa eventualità rendeva difficile applicare a questa macchina un commutatore per raddrizzare la corrente totale prodotta. Così è restata come macchina che produce corrente alternata perché empiricamente si è scoperto che era in grado di mantenere acceso il potente arco voltaico dei fari per navigazione, se il numero di giri della parte in movimento era di almeno 4 al minuto (con il massimo di intensità raggiunto a 235 giri al minuto).

        Per parte sua la macchina di Holmes dette dei risultati analoghi anche se la sua concezione differiva da quella ora illustrata (i magneti erano qui in rotazione e si aveva il commutatore). Il suo rendimento era molto basso perché a 600 giri al minuto forniva solo 1,5 Kw. Comunque entusiasmò Faraday che fece in modo che alcuni fari per la guida della navigazione ne fossero dotati. Quando furono installate le prime macchine ordinate (1858), avevano subito sostanziali miglioramenti in particolare facendo ruotare le bobine invece dei magneti. Ulteriori miglioramenti si ebbero in seguito, questa volta lavorando sulla dimensione delle macchine che arrivarono fino ad avere un’altezza di circa 2,5 metri (anche se la potenza che veniva fuori non superava mai i 2 Kw). Tutto ciò, sia in Francia che in Gran Bretagna, andò avanti fino a circa il 1870, quando la macchina di Z. T. Gramme (1826-1901) soppiantò le altre per i costi più bassi e per le più piccole dimensioni.

        Prima di passare oltre è utile osservare che da parte scientifica si studiavano questi rendimenti alla luce del Principio di conservazione dell’energia che, come già detto, Helmholtz aveva formulato nel 1847. In particolare si studiavano i trasferimenti da energia meccanica ad energia termica (la luce era una conseguenza del riscaldamento) alla luce, in particolare, dei lavori teorici e sperimentali di James Prescott Joule sugli effetti termici della corrente elettrica.

EFFETTI TERMICI DELLA CORRENTE: JOULE

        La pila di Volta data al 1800. Vari studiosi avevano tentato di capire quale potesse essere l’effetto del riscaldamento dei fili percorsi da corrente ma ogni sforzo era stato vano. Vi erano troppe grandezze, unità di misura, variabili e parametri poco chiari e poco definiti per poter tentare uno studio scientifico. Si andava per teorie che lasciavano il tempo che trovavano senza il sostegno dell’esperienza. I lavori di Ohm del 1826 e 1827 e le successive elaborazioni del francese A. C. Becquerel (1788-1878), dell’inglese Barlow (1776-1862) e dal tedesco G. T. Fechner (1801-1887) avevano messo dei punti fermi di grande

  G. T. Fechner

importanza e permisero che si potesse affrontare l’argomento. In particolare la non conoscenza della legge di Ohm portava gli sperimentatori a cambiare i fili pensando di cambiare la sola resistenza ed in realtà variando anche l’intensità di corrente.

        Fu l’inglese Joule (1818 – 1889) che nel 1841 (Joule, J.P. (1841) – On the heat evolved by metallic conductors of electricity – Philosophical Magazine, 19, 260) affrontò il problema. Questo lavoro era stato preceduto da un breve resoconto fatto alla Royal Society (On the Production of Heat by Voltaic Electricity) da P. M. Roget il 17 dicembre del 1840 che si mostrò molto scettica tanto da pubblicarne solo un sunto sui Proceedings of the Royal Society.   Joule partì con il tarare accuratamente lo strumento di misura che utilizzava (una bussola delle tangenti)(11) alla maniera di Faraday (con l’inserimento di un voltametro nel circuito).

J. P. Joule

Quindi egli mostrò, utilizzando dei calorimetri nei quali inseriva delle resistenze elettriche per scaldare delle definite quantità d’acqua,  che la quantità di calore Q sviluppata in un secondo in un filo di resistenza R percorso dalla corrente I è data da (legge di Joule):

Q = k. I2R t

dove k è una costante. Da qui si può risalire alla potenza W (utilizzando il Primo Principio della termodinamica) data da:

W = k .I2R

        Egli tornò sull’argomento nel 1843 (Joule, J.P. – Philosophical Magazine23, 263) con un’altra memoria che riportava i risultati dei suoi molteplici esperimenti (questa volta estesi dai conduttori metallici della prima ai conduttori elettrolitici ed alle correnti indotte). Dopo aver verificato la generale validità della legge trovata nel 1841, questa volta mostrò che l’effetto che aveva dimostrato nel 1841 era dovuto al calore prodotto nel conduttore e non da un qualche altro fenomeno all’interno del circuito utilizzato. Inoltre calcolò la quantità di lavoro meccanico necessario a produrre un’equivalente quantità di calore (l’equivalente meccanico della caloria). Joule trovò anche che comunque l’elettricità è prodotta (o per via chimica o meccanica), il calore risultante è sempre lo stesso. Egli cerca anche di capire se l’energia meccanica diventa prima calore e poi energia elettrica. Questo lavoro fu presentato alla British Association for the Advancement of Science che, come la Royal Society, si mostrò dubbiosa (e varie riviste scientifiche inglesi rifiutarono i lavori di Joule, come varie riviste tedesche rifiutarono quelli di Mayer che lavorava su analoghi problemi di trasformazioni energetiche).

        Questi lavori di Joule rimasero praticamente ignorati fino al 1847, quando richiamarono l’attenzione di William Thomson, lo scienziato che più avanti diventerà Lord Kelvin per meriti scientifici. Un altro fervente sostenitore di essi fu Faraday, insieme a George Stokes. Solo quando nel 1849 Joule poté leggere la sua memoria On the Mechanical Equivalent of Heat alla  Royal Society, con il prestigioso Faraday come sponsor, ebbe riconosciuti i suoi meriti con la pubblicazione della memoria e con la sua elezione a membro della Società medesima. Intanto da due anni, la meno ingessata Germania nascente aveva già riconosciuto la conservazione dell’energia, alla formulazione della quale erano serviti anche i lavori dello stesso Joule.

        Da questo momento altri ricercatori fecero una molteplicità di esperienze sull’argomento di modo che, negli anni delle macchine magneto-elettriche, si era in grado di valutare le perdite dovute al riscaldamento dei singoli componenti  la macchina stessa.

GENERATORI DINAMO-ELETTRICI

        Abbiamo visto lo schema di principio di un alternatore appena abbiamo iniziato a parlare delle prime applicazioni delle correnti indotte. Una sola spira che ruotava in un campo magnetico aveva seri inconvenienti perché la corrente (o tensione) indotta variava molto al variare della velocità della spira. Si ha infatti un solo  momento in una rotazione in cui la corrente é massima. Il sistema per rimediare a questo inconveniente fu trovato sostituendo ad una sola spira o bobina, una combinazione di bobine di modo che vi è quasi sempre una bobina che sta fornendo il massimo di tensione (è un poco come in un motore a scoppio: ogni pistone, nel suo moto nel cilindro, ha una sola fase attiva su quattro ma se costruiamo il motore con quattro cilindri e li sfasiamo l’un l’altro di 90° avremo sempre una fase attiva mentre negli altri cilindri vengono realizzate quelle passive).

        L’accorgimento fu realizzato proprio per avere una certa costanza nella tensione prodotta ad ogni velocità di rotazione del sistema di bobine. Abbiamo anche visto che per molte macchine è preferibile disporre di elettromagneti anziché di magneti permanenti. Quest’ultima circostanza porta ad una difficoltà ed al suo superamento. Un elettromagnete deve infatti essere alimentato ed all’inizio, nelle macchine che li utilizzavano lo era mediante sistemi di pile o accumulatori (soprattutto se gli elettromagneti dovevano mantenere sempre le medesime polarità). Fu un ingegnere danese che brevettò in Gran Bretagna un sistema che prelevava parte della corrente prodotta dall’alternatore per alimentare gli elettromagneti. Si tratta dell’autoeccitazione che fu realizzata nel 1855 (e mai sfruttata dall’autore) da Søren Hjorth. Restava comunque la necessità di far partire la macchina e questo doveva avvenire senza poter prelevare corrente che ancora essa non forniva. Servivano quindi magneti permanenti per il primo avviamento (è un poco come all’avviamento di un’automobile: al girare la chiavetta dell’avviamento si usa l’accumulatore la cui corrente viene subito sostituita da quella prodotta dall’apparato elettrico messo in movimento dal motore). Dieci anni dopo, comunque, si capì che il magnetismo residuo degli elettromagneti era in grado di mettere in movimento la macchina elettrica, come vedremo.

        Intanto E. W. von Siemens (1816-1892) realizzava (1856) per primo un sistema ruotante (l’indotto) che era mantenuto tutto all’interno di un campo

E.W. von Siemens

magnetico molto intenso. Gli avvolgimenti elettrici erano per la prima volta disposti non trasversalmente all’asse dell’indotto ma longitudinalmente ad esso (ed erano avvolti intorno ad una armatura che aveva una forma a doppia T). Nel

Armatura a doppia T

dicembre del 1866 egli presentò all’Accademia delle Scienze di Berlino una macchina per la conversione di energia meccanica in energia elettrica senza l’impiego di magneti permanenti (autoeccitata) ed utilizzante il suo nuovo indotto. 

Indotto Siemens

Vi furono polemiche ed azioni legali su quel sistema a doppia T che Siemens non aveva sfruttato fino in fondo mentre in Gran Bretagna era entrato in uso per la sua maggiore leggerezza e maneggevolezza che permettevano maggiori velocità di rotazione delle pesanti macchine di Holmes. Ma la polemica riguardò anche l’autoeccitazione perché, come già detto, la cosa fu comunicata da Siemens a dicembre del 1866 e fu pubblicata a febbraio del 1867 a cura del fratello Charles che presentò anche un modello funzionante.

        Il primo, comunque, che viene dato per aver realizzato una macchina che sfruttava l’autoeccitazione mediante l’uso del magnetismo residuo fu l’inglese C. F. Varley (1828-1883). Egli richiese il brevetto alla fine del 1866 ma lo ottenne nell’estate del 1867.

        Macchina elettromagnetica ad autoeccitazione di Varley

Queste scoperte simultanee con rivendicazioni diverse e corsa ai brevetti, mostrano quanto l’industria avesse capito delle potenzialità dell’elettricità. Dovrò quindi indicare varie macchine che si susseguirono o furono realizzate simultaneamente in quel periodo. E’ il caso della macchina di Wilde del 1863, di

Macchina di Wilde

Schema della macchina di Wilde

quella dell’inglese C. Wheatstone (1802-1875) del 1867, quella dello statunitense  Moses G. Farmer (1820-1893) del 1866 …

Wheatstone

Macchina di Wheatstone costruita da Stroh nel 1867

        Si può insomma dire che il 1866 è l’anno dell’affermazione dell’autoeccitazione. Ed in questo anno si ebbe anche l’introduzione del neologismo dinamo. La parola sembra sia stata introdotta da Siemens. Il problema era quello di distinguere la corrente continua fornita dalle pile o accumulatori da quella fornita dinamicamente, con la rotazione, in macchine elettriche. Fu così che la macchina che produceva corrente continua mediante parti in rotazione ed il meccanismo del commutatore, fu chiamata dinamo.

        Alcuni anni prima però ….

L’ANELLO DI PACINOTTI

         Avrete notato che l’Italia è assente da questo processo di produzione di macchine che alimentano pezzi di industria e che si fanno esse stesse industria. Come si può parlare di industria in un Paese dove non è passata la Rivoluzione Francese e dove ancora imperano nobiltà e clero ? E la nobiltà è quella becera e cialtrona dei Savoia ? E la Chiesa è quella oscurantista di Roma ? Quella che ancora nel 1870 manteneva alla Sapienza di Roma la Cattedra di Fisica Sacra ? Vi sono nostri eccellenti studiosi ma devono faticare non poco a non farsi rubare le loro realizzazioni, soprattutto se di uno pratico. Il primo grave problema è la mancanza di una legge sui brevetti. Da noi, con spese immani e non sostenibili da singoli inventori, occorre rivolgersi all’estero per brevettare e le cose non sono sempre pulite. Non è qui il caso di ricordare i dettagli ma Matteucci e Barsanti che esponevano il loro modello di motore a scoppio alla Fiera di Francoforte furono derubati da Otto e da Beau de Rochas. E di esempi del genere ve ne sono molti. E’ ora il caso di citarne un altro di grande rilievo, quello di Antonio Pacinotti (1841-1912), uno dei grandi personaggi della importantissima scuola elettrotecnica italiana.

Antonio Pacinotti

        Egli, divenuto poi professore di fisica a Pisa, si era formato alla scuola dei fisdici matematici pisani della seconda metà dell’Ottocento che contava con scienziati del calibro di Ottaviano Fabrizio Massotti (1791-1863), Carlo Matteucci (1811-1868) e Riccardo Felici (1819 – 1902). Egli iniziò con il progettare nel 1858 una macchina magneto-elettrica reversibile, in grado cioè di produrre energia elettrica ma anche da poter essere usata  come motore. Nel 1860 realizzò una macchina magneto-elettrica, in realtà una dinamo, di concezione completamente diversa, con un indotto ad anello ed un commutatore multiplo come mostrato in

Anello di Pacinotti

Particolare dell’anello

Modello dell’anello rotore al di fuori della sua sede

figura. Pacinotti non brevettò il dispositivo che descrisse in una memoria sul Nuovo Cimento [Serie 1, Volume XIX (1864), pag. 378, fascicolo del giugno 1864, pubblicato il 3 maggio 1865](12) e, nello stesso anno, recatosi a Parigi per vendere i diritti di costruzione alle officine Froment-Doumulin (in Italia l’industria non era in grado di realizzare una cosa del genere e le officine Froment, dirette da Doumulin avevano già costruito delle macchine elettriche), fu truffato dal capofficina   che ormai tutti hanno individuato nel belga Zenobe Théophile Gramme (1826-1901).

Zenobe T. Gramme

Costui si era fatto raccontare il funzionamento della macchina che non fu più costruita dalla Froment-Doumulin ma che Gramme brevettò nel 1869 per metterla in commercio nel 1871(13).

        Questa macchina aveva un sistema rotante (l’indotto) fatto ad anello con avvolgimenti multipli di conduttore su di esso ed un multicommutatore (vedi grafici).

Grafici della forza elettromotrice fornita da un anello di Pacinotti in funzione del tempo t. Abbiamo visto che un commutatore semplice è formato da due metà di una superficie cilindrica separate tra loro, ciascuna metà è collegata agli estremi di una bobina. Questo commutatore origina f indotte rappresentate graficamente da sinusoidi in cui la parte negativa risulta ribaltata. I grafici qui riportati rappresentano il risultato di un anello in cui vi sono tre bobine collegate con sei strisce di superficie cilindrica contrapposte a ciascuna coppia delle quali è collegata una bobina. Nella rotazione dell’anello, ciascuna bobina con il suo collettore si comporta come quella semplice discussa e origina un grafico di sinusoidi con la parte negativa ribaltata. Ora le tre bobine sono sfasate tra loro in modo regolare sull’anello e ciascuna origina lo stesso grafico solo che sfasato rispetto a quello immediatamente precedente. I tre grafici originati dalle tre bobine sono disegnati sovrapposti nella figura a). Mentre in b) vi è il risultato della somma dei tre grafici che, si può notare, non è una vera corrente continua ma si avvicina di molto ad essa. Se si pensa che in un vero anello di Pacinotti vi sono intorno alle 20 bobine, ci si rende conto che quella linea leggermente ondulata si appiattisce sempre più fino ad essere apprezzabilmente quella di una corrente continua.

L’eccitazione era separata mediante una batteria. In tal modo, come accennato, la macchina poteva funzionare in modo reversibile: o come un generatore di corrente elettrica continua (dinamo) fornendo movimento meccanico all’anello; o come un motore elettrico (ne parlerò più avanti) fornendo energia elettrica all’induttore (al sistema di elettromagneti(14) che circondano l’anello).

L’INDOTTO DI GRAMME

          Ho già detto che la prima macchina di Gramme utilizzava un anello del tutto simile a quello di Pacinotti con avvolgimenti in bobine isolate le estremità delle quali erano collegate tra loro in modo che risultasse un avvolgimento continuo. Inoltre i terminali delle singole bobine erano connessi a due segmenti contrapposti del commutatore (si tratta quindi, anche qui, di una dinamo). Infine l’indotto ruotava in un sistema magnetico a due poli:

Dinamo di Gramme 1870

Dinamo di Gramme 1874

Sezione dell’indotto ad anello di Gramme per illustrare come erano avvolte le bobine su un nucleo di ferro non massiccio ma costituito da tanti fili di ferro dolce tenuti insieme per evitare le correnti di Foucault.

       La macchina risultò molto affidabile ed ebbe un grande successo commerciale perché il mercato da tempo attendeva un prodotto di tale qualità ed affidabilità che non soffrisse di surriscaldamento. Fu usata nei fari marini, per illuminare le fabbriche, per segnali luminosi e per i processi di galvanostegia (rivestimento mediante elettrolisi, di metalli comuni con altri aventi particolari caratteristiche: inossidabilità, brillantezza, resistenza ad abrasione, …).

        Perfezionamenti importanti alla macchina di Gramme vennero realizzati con l’introduzione dell’indotto a tamburo da parte del progettista F. von Hefner Alteneck della Siemens che si sentì minacciata dal successo di Gramme. Altri perfezionamenti vennero dalla dinamo progettata da Emil Bürgin di Basilea (e

      Macchina Alteneck Siemens         Macchina Bürgin Crompton

costruita in Gran Bretagna dalla Crompton & Co), che introdusse un tipo di indotto che si avvicina molto a quelli oggi in uso, e dallo svedese J. Wenström (1880). Tutte queste macchine erano sempre alimentate da macchine a vapore con la sola eccezione di quelle in uso nei laboratori che erano alimentate dal lavoro di una manovella.

Indotto della macchina Bürgin Crompton

Resta solo da osservare che, con l’introduzione del commutatore alle macchine tipo Pixii, quasi tutti gli apparati in commercio erano delle dinamo, erano cioè macchine a corrente continua. Fu proprio nell’ultimo quarto dell’Ottocento che si iniziò a sentire la necessità di macchine di altro tipo.

GLI ALTERNATORI E GALILEO FERRARIS

        C’è poco da aggiungere ai principi di funzionamento che conosciamo già. Si tratta di capire quali sono i vantaggi degli alternatori rispetto alle dinamo o, meglio, dove conviene usare gli uni e dove le altre. Ma se le due macchine hanno prestazioni diverse dovranno anche avere delle caratteristiche diverse e quindi converrà dare un’occhiata.

        Un alternatore molto perfezionato fu presentato nel 1880 dal barone francese A. de Méritens. Tale macchina era costituita da un indotto avente un avvolgimento distribuito in grado di fornire una sinusoide in uscita molto regolare.

Alternatore de Meritens

Erano utilizzati per i fari fornivano più o meno 4,5 Kw a 830 giri al minuto e sono stati in uso, dove erano in funzione, fino al 1947. Avevano il difetto di costare il doppio di una dinamo di Gramme e questo ne limitò la diffusione.

        In quegli anni vi era un altro ostacolo alla diffusione degli alternatori: la disponibilità di funzionali ed affidabili motori a corrente alternata che invece vi era per quelli a corrente continua. Ma iniziavano i problemi delle dinamo che richiedevano macchine a vapore per il loro azionamento, macchine di tipo orizzontale che lavoravano con un basso numero di giri insufficiente per un buon funzionamento delle dinamo. La dinamo era poi connessa alla macchina a vapore mediante trasmissioni moltiplicatrici a cinghia che davano tantissimi problemi meccanici, insieme a perdite notevoli di energia(15). In compenso la corrente prodotta dalla dinamo poteva essere trasportata a distanza senza i problemi di impedenza che invece presentava la corrente alternata (qui serviva chiarire la vicenda teoricamente come farà Galileo Ferraris) ed a costi più bassi. Il pregio delle dinamo nasceva dalla poca diffusione della corrente medesima e dalla sua utilizzazione vicino al luogo dove si produceva. Con la diffusione della corrente e con la necessità di approvvigionare di combustibili o similari le centrali elettriche, diventa indispensabile localizzare la produzione in luoghi diversi dall’utilizzazione, con la conseguente necessità di trasportare la corrente a distanza. In tal caso le correnti fornite dalla dinamo non hanno alcuna possibilità di successo mentre, con una opportuna utilizzazione dei trasformatori elettrici (che, a partire dalla loro invenzione nel 1840, vanno sviluppandosi fino ad arrivare a maturità intorno al 1883)(16), la corrente alternata permette il suo trasporto anche a grandi distanze purché, in accordo con la l’effetto di riscaldamento dei conduttori di Joule, si possa abbassare l’intensità di corrente elevando la tensione (il loro prodotto è costante e quindi le due grandezze sono inversamente proporzionali) per evitare perdite enormi  e con l’altra necessità di ritrasformare il tutto al momento dell’utilizzazione.

        Per parte loro gli alternatori di Wilde (1867) si scaldavano troppo a seguito delle correnti di Foucault che erano accentuate dal tipo di corrente pulsante. Questi alternatori furono migliorati ed anche Gramme ne realizzò intorno al 1878 ma i problemi restarono. Intervenne anche William Thomson (Lord Kelvin) che propose dei cambiamenti negli avvolgimenti. Una macchina con tali modifiche fu realizzata dall’inglese Sebastian Ziani de Ferranti (1864-1930) era destinato agli impianti di illuminazione e risultò estremamente affidabile e di grande potenza.

        L’intervento decisivo per il successo di tali macchine fu dovuto all’italiano Galileo Ferraris (1847-1897), docente di Fisica Tecnica presso il Regio Museo

Galileo Ferraris

Industriale di Torino, che nel 1885 pubblicò una memoria teorica in cui chiariva i termini dei problemi in gioco(Metodo per la trattazione del vettori rotanti o alternativi e una applicazione di essi ai motori elettrici a corrente alternata seguita dall’altra Teoria geometrica dei campi vettoriali e sulla teoria matematica della propagazione dell’elettricità nei solidi omogenei ). In tali memorie studia l’uso dei trasformatori per il trasporto dell’energia a distanza e determina quantitativamente il modo di determinare la potenza elettrica in un circuito alimentato da corrente alternata (una linea di trasmissione elettrica è un tale circuito). La formula che Ferraris presenta è fondamentale:

W = V.I. cos Φ

dove W è la potenza elettrica che il circuito fornisce, V è la tensione del circuito, I è l’intensità di corrente che circola e cosΦ è il coseno dello sfasamento tra tensione e corrente. E qui due parole di chiarimento. Nel caso di corrente continua, la potenza è data dal solo prodotto di tensione e corrente. Qui occorre moltiplicare il tutto per il coseno dello sfasamento  tra le due grandezze. E le due grandezze si sfasano proprio per l’impedenza o reattanza del circuito. La massima potenza che si può utilizzare in tali circuiti in alternata è quella corrispondente a sfasamento zero, in tal caso il coseno vale uno e la formula ora vista ci dà il suo valore massimo. In particolari condizioni è possibile avere uno sfasamento tra V ed I di 90°: in tal caso circuito non è in grado di dare potenza perché il coseno dello sfasamento vale zero con la conseguenza che la potenza vale zero. Questa corrente è chiamata swattata e il coseno dello sfasamento è chiamato fattore di potenza.

        Nello stesso anno gli provò anche, in una conferenza pubblica, l’esistenza del campo magnetico rotante(17) generato da due bobine fisse, tra loro perpendicolari, percorse da correnti di medesima frequenza; un cilindretto di rame,

Modello di motore elettrico di Galileo Ferraris con tre correnti sfasate tra loro di 90°. Il tutto funziona mediante la scoperta del campo magnetico rotante

immerso nel campo magnetico, si mette in movimento sotto l’azione delle forze elettrodinamiche tra campo rotante e correnti indotte.  E’ il principio del motore

Modello del primo motore di Galileo Ferraris

oggi noto come asincrono (in grado di produrre energia elettrica alternata bifase(18)), motore che Ferraris presentò a Chicago nel 1893 riscuotendo un grande successo per la sua robustezza e semplicità. Questa eventualità sarà alla base della immediata diffusione dell’energia elettrica nel mondo. Va sottolineato che i motori elettrici di Ferraris, proprio per le loro caratteristiche di accoppiabilità con qualsiasi alternatore, velocità , frequenza e numero di poli resero i medesimi alternatori preferibili alle dinamo.

        Noto solo che anche Ferraris fu assillato da un serbo diventato cittadino americano nel 1891, Nikola Tesla (1857-1943). Questi sostenne di aver brevettato

Nikola Tesla

lui un tal motore nel 1887. La cosa fu decisa dai tribunali americani che, per una volta, dettero ragione ad un italiano, a Ferraris. Di passaggio, Tesla (insieme a Westinghouse che produsse varie sue macchine) fu uno dei più ferventi sostenitori delle correnti alternate rispetto alle continue (i sostenitori della continua erano invece W. Thomson e T. A. Edison, il quale ultimo usava dire: “Parlare dell’uso della corrente alternata al posto della corrente continua è indegno di uomini pensanti“).

        Prima di chiudere questo paragrafo, presento uno degli alternatori maggiormente in uso alla fine dell’Ottocento:

Alternatore con una dinamo eccitatrice accoppiata

ed un disegno che mostra la reversibilità (energia meccanica, energia elettrica, energia meccanica) delle macchine magneto-elettriche:

L’ILLUMINAZIONE ELETTRICA
 

        Era da tempo che le macchine si perfezionavano e crescevano in potenze disponibili. Gli accoppiamenti con macchine a vapore mediante cinghie di trasmissione veniva via via sostituito con l’applicazione diretta del moto rotatorio tramite sistemi a turbina. In pratica o si comincia ad utilizzare l’acqua in caduta per originare il moto della turbina accoppiata all’alternatore (fra il 1886 e il 1893 la Westinghouse costruì negli USA la centrale di Niagara Falls da 200.000CV, con propri alternatori e turbine idrauliche Francis), o questa turbina è messa in moto dal vapore prodotto in una centrale in cui si bruciano combustibili fossili. Questi accoppiamenti insieme a macchine sempre più affidabili, permisero via via l’uso industriale dell’elettricità. In parallelo alle ricerche sulle macchine elettriche per produrre elettricità, andava avanti anche la ricerca sul come prelevarla per

Centrale elettrica in costruzione (Deptford, 1889)

illuminare, particolarmente per l’illuminazione pubblica. Le prime esperienze riguardarono dimostrazioni con lampade ad arco (che ebbero diverse e successive varianti dalla loro invenzione al 1876) alimentate da dinamo ad anello di Gramme che rendeva l’operazione relativamente economica e applicazioni limitate come quelle per illuminare una fabbrica a Mülhausen in Germania (ormai unificata), la Gare du Nord di Parigi (1875), il Gaiety Theatre di Dublino (1878). Ma senza uno sviluppo delle lampade non si sarebbe andati molto avanti.

        La svolta si ebbe nel 1879 quando lo statunitense Thomas Alva Edison (1847-1931) brevettò nel dicembre del 1878 una lampada ad incandescenza con

T. A. Edison

filamento di platino. Il fatto è che Edison era uno dei furbastri americani che brevettava pure l’aria, fregando in tal modo ogni concorrente che avesse avuto una tale invenzione ma in grado di funzionare (analogo personaggio fu Bell). Gli studi e le esperienze in tal senso furono dell’inglese Joseph Swann (1828-1914) che

J. Swann

aveva iniziato molto prima, sperimentando con lampade ad incandescenza utilizzanti filamenti di carbone. Swann, basandosi su un vecchio brevetto di J. W. Starr (1822-1847) che aveva osservato lo scaldarsi e l’illuminare di filamenti di carbone percorsi da corrente, a partire dal 1848 iniziò a realizzare diversi marchingegni che avrebbero dovuto portarlo ad un sistema di illuminazione diverso dall’arco voltaico.  Capì che qualunque fosse stato il materiale da rendere incandescente, l’impresa del suo mantenimento incandescenze sarebbe risultata momentanea se non si fosse riusciti a realizzare l’incandescenza dentro un bulbo di vetro in cui fosse fatto un buon vuoto. In quegli anni però le pompe da vuoto non erano ancora all’altezza delle caratteristiche richieste. Swann tornò sulla questione solo dopo che Hermann Sprengel nel 1865, non ebbe realizzato una pompa da vuoto molto perfezionata (a vapori di mercurio). Tale pompa era stata utilizzata con successo da William Crookes per esperienze sul vuoto e da qui Swann ritrovò lo stimolo della ricerca sulle lampade ad incandescenza, presentando una tale lampada (non in funzione) in una riunione della Chemical Society di Newcastle-upon-Tyne nel dicembre 1878.

Lampada ad incandescenza di Swann

        Swann non riteneva ancora di brevettare in quanto i suoi studi erano in corso. ma arrivò Edison e nel gennaio 1880 brevettò una lampada ad incandescenza (fatta funzionare per la prima volta il 21 ottobre 1879). Fu comunque Swann che proseguì gli studi sul miglioramento del filamento che, con le prime lampade, non superava le 40 ore di accensione. E’ da notare che in Italia, Alessandro Cruto

In A  lampada di Edison a filamento di carbone (1881); in B altra lampada di Edison (1882); in C gruppo di lampade Edison.

(1847-1908) realizzò una lampada ad incandescenza 35 giorni dopo quella di

A. Cruto

Edison con la differenza che i suoi filamenti avevano una durata di 500 ore. Una fabbrica di lampadine Cruto nella cintura di Torino venne rilevata dalla Philips. Le cose migliorarono a partire dal 1903 quando William. T. Coolidge realizzò il filamento di tungsteno che portò la durata delle lampade ad incandescenza a 1000 ore.

        Ormai la strada all’uso completo che oggi conosciamo dell’elettricità era aperta. Una cosa di rilievo va detta. L’energia elettrica è estremamente più utile dell’energia da vapore perché ha la caratteristica della trasportabilità e della controllabilità locale. Ciò vuol dire che essa può essere prodotta in un dato luogo per essere utilizzata in un altro e che si può trasportare dove si vuole con un semplice cavo.

        Iniziò allora l’industria elettrica con tutto ciò che ruota intorno ad esse (fonti, centrali in muratura, alternatori, dinamo, turbine, cavi elettrici, trasformatori, lampade e strumenti d’uso, strumenti di misura (per fatturare), …


        Altra applicazione immediata delle grandi istallazioni per la produzione della corrente fu nel trasporto elettrico, tram e treni. Il principio è semplice: una centrale è dotata di macchine per la produzione elettrica con una potenza sufficiente per i motori elettrici che sono all’interno del tram o della locomotiva. La corrente è trasportata in andata attraverso una linea aerea che va ad alimentare il motore elettrico all’interno del tram ed al ritorno attraverso la rotaia che chiude il circuito.

Centrale elettrica per l’alimentazione della stazione della Great Western Railway (1885)

TELEGRAFO

        Altra fondamentale applicazione elettromagnetica è quella del telegrafo. Per la prima volta, a grandi distanze si potevano trasmettere dei messaggi, anche superando la curvatura terrestre. I primi telegrafi necessitavano di fili e, per molte utenze, di veri e propri cavi di grande diametro. Una delle grandi imprese di fine

Posa del cavo telegrafico sottomarino attraverso la Manica (1850)

secolo scorso fu proprio la posa di cavi telegrafici transoceanici. In linea di principio è possibile spiegare con facilità il sistema servendoci della figura:

Da una stazione trasmittente (Estación emisora) si chiude un tasto che fa circolare una corrente lungo una linea che lo porta fino alla stazione ricevente (Estación receptora) per poi chiudere il circuito attraverso la terra. All’arrivo alla stazione ricevente la corrente mette in funzione un elettromagnete E che attrae un  martelletto metallico A. Questo martelletto spinge una punta S bagnata d’inchiostro su una striscia di carta che scorre. Se dalla stazione trasmittente si tiene spinto  il tasto per breve tempo, sulla striscia di carta della stazione ricevente si avrà un punto, se dalla stazione trasmittente si tiene spinto il pulsante per un breve tempo, alla stazione ricevente, sulla striscia di carta vi sarà una linea. Per comunicare tra due stazioni, un sistema identico andava dalla stazione ricevente a quella trasmittente di modo che ambedue potevano trasmettere e ricevere. Ma per capire i messaggi serviva un codice che accoppiasse linee e punti con lettere dell’alfabeto. Si tratta appunto del codice Morse che riporto qui sotto osservando che il famoso

segnale di aiuto SOS proviene proprio da questo codice essendo le lettere S ed O le più semplici da trasmettere (tre punti la S e tre linee la O).

        Questo apparato fu inventato dallo statunitense Samuel Finley Breese Morse (1791-1872) nel 1838 e il 24 Maggio 1844 fu inaugurata la prima linea telegrafica che collegava Washington con Baltimora. In Italia la prima linea telegrafica fu realizzata nel 1847 e collegava Livorno con Pisa. Mancava la trasmissione di segnali senza fili per un utilizzo anche in mare aperto. Questa cosa fu realizzata da Guglielmo Marconi sul finire del secolo e ci si rese conto dell’enorme importanza della sua invenzione solo dopo che l’inaffondabile Titanic affondò portandosi in fondo al mare il suo carico umano solo perché quella nave non disponeva del sistema telegrafico senza fili. E mancava la trasmissione tramite radiosegnali che fu ancora realizzata da Marconi. Il telefono invece era stato inventato da Antonio Meucci (1808-1889), un emigrato italiano negli USA che si affidò ad un sistema di

Antonio Meucci

brevetti disonesto. Meucci, nel 1871, riuscì a depositare un brevetto temporaneo, chiamato caveat, per il suo “telegrafo parlante” al Patent Office di New York. Convinto delle grandi potenzialità della sua invenzione, cercò finanziamenti in patria tramite l’amico Bendelari ma senza successo. Grazie agli aiuti di amici riuscì a prorogare il brevetto per due anni, ma la scarsità di mezzi finanziari gli impedì di rinnovare le successive scadenze annuali e nel 1876 Alexander Graham Bell (1847- 1922) presentò la sua domanda di brevetto ottenendo la regolare

A. G. Bell

concessione. Si noti che Bell, rubò anche il brevetto del volo ai fratelli Wright.

        Altre invenzioni ed applicazioni vennero a cascata in modo inarrestabile. Ricordo solo la scoperta dei raggi X che fu resa possibile con un opportuno uso di un rocchetto di Ruhmkorff (vedi nota 16) collegato ad un tubo di Crookes. La

Apparato per raggi Roentgen

scoperta del 1895 è di Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923).

…. Se la scarica di di una bobina di induzione abbastanza grande è fatta passare attraverso un tubo sotto vuoto di Hittford, o attraverso un tubo di Lenard, di Crookes o altri simili apparati, sufficientemente vuotati, e il tubo è ricoperto con cura mediante un sottile cartoncino nero, e se l’intero apparato è posto in una camera completamente buia, ad ogni scarica si osserva una brillante illuminazione di uno schermo di carta ricoperto con cianuro di platino e bario, posto in vicinanza della bobina di induzione, la fluorescenza così prodotta è interamente indipendente dal fatto che lo schermo sia rivolto verso il tubo a scarica con la superficie rivestita o quella non rivestita. Questa fluorescenza è visibile anche quando lo schermo fluorescente è disposto ad una distanza di 2 metri dall’apparato…

La scoperta fu casuale. L’8 novembre 1895, Röntgen, stava compiendo al buio degli esperimenti con un tubo a raggi catodici, nel suo laboratorio, quando notò una luce verde proveniente da un pezzo di cartone che si trovava in un’altra parte della stanza. Il cartone era ricoperto di una sostanza chimica luminescente, che risplendeva se colpita dalla luce. Ma non c’era luce nel laboratorio. Röntgen tolse la corrente al tubo catodico e quella luce verde sparì. Ridiede corrente e mise la mano tra il tubo e il cartone: con suo grande stupore, vide proiettata sul cartone l’ombra delle ossa della mano. Non avevo idea di cosa fossero quei raggi  scrisse in seguito perciò li chiamai semplicemente raggi X, essendo x il simbolo matematico di una grandezza incognita. Questi raggi passavano attraverso la carta, il legno, la carne, ma non attraverso le ossa e i metalli, e inoltre impressionavano le lastre fotografiche. La loro scoperta rivoluzionò il mondo della medicina, perché per la prima volta i medici potevano guardare all’interno del corpo. Infatti, già nel 1896, i raggi X erano utilizzati per esaminare le fratture ossee.

QUALCHE CONSIDERAZIONE

        Scrivono Umberto Eco e Gian Battista Zorzoli:

        In piena fioritura della Belle Époque, la lampadina elettrica rappresentò un segno tangibile, un simbolo immaginoso del progresso in marcia. Da secoli immemorabili la luce era stata per l’uomo l’emblema della conoscenza, della vita, della rivelazione, della saggezza infusa. Ora bastava girare una chiavetta, e la saggezza infusa circolava per casa un tanto al kilowattora. Nell’inge­nua allegoria del Ballo Excelsior la Dea Elettricità appariva sfolgorante a entusiasmare i nostri fiduciosissimi antenati. E in realtà occorre sottolineare l’enorme influenza che una buona illuminazione alla portata di tutti ebbe sullo sviluppo della cultura e sull’affinamento dei costumi. Per centinaia di migliaia di persone l’unico tempo libero è costituito dalle ore serali: una civiltà che consenta a costoro di utilizzare queste ore per una vita associata che non debba più svolgersi faticosamente al lume della candela o del focolare, mancherà forse di poesia, ma apre maggiori orizzonti. Anche la presenza di una lampadina può cambiare il destino di un individuo.
L’introduzione dell’illuminazione elettrica ebbe naturalmente una influenza determinante sui mutamenti del paesaggio urbano; dalle vie semibuie illuminate dai lampioni a gas si è giunti alle moderne grandi arterie cittadine in cui la facciata degli edifici scompare sotto una nervatura di tubi al neon: le scariche delle primitive lampade a arco si realizzano ora attraverso gas rarefatti, vapori di sodio o di mercurio variamente trattati, che forniscono tutte le variazioni cromatiche desiderate: la civiltà dei lumi, sognata dagli eredi positivistici della Rivoluzione Francese, si è avviata piuttosto a diventare una «civiltà delle luci». Immediatezza e superficialità del richiamo visivo, distrazione e stordimento decorativo, risoluzione e camuffamento della realtà nello sfolgorio fittizio dei gas incandescenti… Ecco il volto negativo di una «civiltà delle luci» e il contraltare del Ballo Excelsior.

Queste considerazioni sono state fatte sull’energia elettrica oltre 50 anni fa. La cosa si può facilmente sottoscrivere per ogni campo del progresso scientifico e tecnologico. Vi è poi un altro aspetto, quello dell’impatto sul mondo produttivo e sui modi di produzione che non spetta a me indagare ma che certamente comporta modificazioni profonde del modo di vita di ciascuno di noi. Oggi possiamo aggiungere che la produzione selvaggia che serve solo alla massimizzazione del profitto ha aggredito l’ambiente in modo irreversibile, tanto da far temere per la sopravvivenza dell’intera umanità. Ma a queste cose non vengono assegnati fondi per la ricerca. Guardarsi allo specchio, in certi momenti non è gradevole. Ci fidiamo di Bush che paga scienziati per far dire al mondo che tutto va bene e che, comunque, nessuno deve mettere in discussione il modo di vita americano che tutti, in modo quantomeno incosciente, prendono a modello.

        In due lettere di Werner a Karl Siemens vi è il primitivo spirito del capitano d’industria nei riguardi dell’energia elettrica. Leggiamo:

Charlottenburg, 6 dicembre 1887.

A Karl Siemens, St. Petersburg.
…È ormai tempo di costruire centrali elettriche in tutto il mondo, e finora ne costruiscono solo gli americani e noi, cioè la Siemens & Halske e la Allgemeine Elektrizitats-Gesellschaft (già Edison). In Inghilterra non esiste ancora alcuna centrale che fornisca l’illuminazione, e in Francia stiamo ora costruendo la prima a Lione insieme alla Società di Costruzioni Meccaniche Mülhausen-Belfort…

Charlottenburg, 25 dicembre 1887.

A Karl Siemens, St. Petersburg.
…Certo mi sono affannato anche per ottenere il guadagno e la ricchezza, non per goderne, ma come mezzo per poter eseguire altri progetti ed altre imprese e per poter ottenere con il successo la conferma della fondatezza delle mie azioni, e dell’utilità del mio lavoro. Così mi sono agitato fin da giovane per la fondazione di un’impresa di portata mondiale come quella di Fugger, che desse potenza e lustro non solo a me ma anche ai miei posteri in tutto il mondo e fornisse i mezzi per innalzare a migliori condizioni di vita anche i miei fratelli e parenti più prossimi… Vedo nel commercio soltanto in seconda linea un modo per far denaro; per me si tratta piuttosto di un regno che io ho fondato, e che vorrei tramandare ai miei posteri nella sua integrità, perché continuino ad operare in esso…


NOTE

(1) Collegando i poli terminali della sua batteria di pile da 2000 elementi a due carboni (3 cm di lunghezza, 4 mm di diametro e separati da 0,5 mm) si accende una luce intensissima e continua nella separazione tra i carboni. Aumentando la distanza tra i carboni la luce cambia di forma (diventa un arco) ed intensità ma mantenendo un chiarore paragonabile a quello del Sole. La luce è caldissima (è in grado di fondere facilmente il platino) ed i carboni si arroventano fino a circa metà della loro lunghezza. Se la distanza supera un certo valore, la luce si spegne.

Arco voltaico

Meccanismo di Duboscq per regolare la distanza tra i carboni di un arco voltaico

Con l’arco si sono realizzati potentissimi fari per illuminazione, da quando si è potuto disporre di fonti energetiche molto meno costose delle pile. Ancora oggi i riflettori per uso cinematografico o quelli in uso nella protezione civile sono archi voltaici (fino a poche decine di anni fa, quando ancora esistevano pellicole cinematografiche con fotogrammi, le macchine da proiezione nelle sale cinematografiche si servivano di archi).

Osservo che questa scoperta è legata a quella del riscaldamento dei fili elettrici percorsi da corrente. La cosa sarà sfruttata più avanti per la realizzazione di lampadine con filamento ad incandescenza.

(2) L’elettromagnete più semplice è costituito da un nucleo di ferro intorno a cui è avvolta una bobina di rame (solenoide). Quando si fa passare corrente nella bobina, il ferro si magnetizza. Facendo cessare la corrente, il nucleo di ferro si smagnetizza (quasi

Elettromagnete rettilineo

completamente). Il fenomeno, molto debole, riguarda anche il solo avvolgimento di rame che diventa un magnete quando in esso si fa passare della corrente. La cosa fu studiata approfonditamente da Ampère. Questa scoperta fu di grande importanza per successive scoperte in ambito fisico e per applicazioni pratiche, ad esempio, nei relé, nel telefono, nel telegrafo, negli interruttori magnetotermici, per il sollevamento di masse di materiali ferrosi. Servì poi a rendere possibile la produzione di un’azione meccanica a distanza per mezzo di una corrente elettrica e la cosa è alla base della trasmissione di segnali a distanza e quindi del funzionamento del telegrafo, come quello inventato nel 1837 da W.F.Cooke e C.Wheatstone che brevettano un telegrafo ad aghi magnetici. In esso le lettere dell’alfabeto sono stampate su 5 o 6 quadranti, ciascuno con un ago magnetico, e dotato di un conduttore che produce un campo magnetico. Per trasmettere una lettera si sceglie il quadrante su cui compare e si fa passare una corrente che fa puntare l’ago corrispondente verso la lettera desiderata (questo primitivo sistema è stato usato in Gran Bretagna fino al 1870).

Elettromagnete a ferro di cavallo, il primo efficiente dei quali fu realizzato da Sturgeon. Si è ora utilizzata una barra di ferro piegata ad U con due avvolgimenti di rame alle due estremità. In questo caso il rame deve essere avvolto in versi opposti nei due poli. La prima figura è relativa al semplice elettromagnete, la seconda dispone di un pezzo di ferro disposto tra i due poli che ha la funzione di chiudere il circuito magnetico

Naturalmente anche gli elettromagneti hanno avuto una gigantesca evoluzione e lo studio delle sostanze da sistemare dentro il solenoide per avere elettromagneti più pronti ha fornito molto materiale allo studio della struttura della materia (spesso occorrono materiali che sino molto pronti, che abbiano cioè la capacità di magnetizzarsi e smagnetizzarsi rapidissimamente).

(3) Faraday fece tantissime scoperte che ebbero successivamente uso pratico. Il suo nome faceva vendere tanto è vero che era utilizzato nella pubblicità.

(4) La ricostruzione delle fasi che portarono Faraday a questa scoperta sono dubbie per tutti gli storici (W. Berkson, Percy Williams, Agassi, …). Percy Williams afferma che anche la costruzione di alcuni grandi elettromagneti da parte di Henry ad Albany, abbia spinto Faraday a tornare sull’argomento. Di certo vi è il fatto che Faraday intendeva ritornare ad alcune sue esperienze non riuscite del 1825 e lo faceva, come suo costume, dopo aver pensato molto su tutto il contesto della fenomenologia che metteva in campo.

(5) Avevo detto qualche riga più su che vi sono due modi di variare il flusso del campo magnetico, variando il flusso concatenato delle linee di forza o variando il flusso tagliato. Faccio vedere un esempio di come si può variare il flusso tagliato che risulta utile in varie applicazioni:

Muovendo alternativamente la spira nel senso della doppia freccia (si tagliano le linee di forza del campo magnetico) si ottiene passaggio di corrente registrato nel milliamperometro mA (quasi un galvanometro).

(6) E’ doveroso precisare che Neumann formalizza le scoperte di Faraday, anche se si muoveva in un contesto diverso. In breve: mentre Faraday sosteneva la teoria di campo con azioni a contatto, Neumann e la scuola elettrodinamica tedesca alla quale apparteneva, sostenevano l’azione a distanza con velocità infinita.

Neumann è, tra l’altro, in un ambiente culturale in cui si muovono: R. Kohlrausch (1809-1858), G. Kirchhoff (1824-1887), Hermann Helmholtz (1827-1894), H. Hertz (1857-1934).

(7) Nella relazione scritta compare un segno meno. Tale segno rappresenta simbolicamente la legge del fisico russo Emilij Kristianovic Lenz (1804-1865). Negli anni

E. K. Lenz

in cui fu scritta la relazione di cui ci occupiamo ancora non era stata definita la conservazione dell’energia da parte di Helmholtz (1847). Nonostante ciò Lenz, che scoprì l’induzione indipendentemente da Faraday, capì (1834)che la legge di Faraday – Neumann (che non aveva quel segno meno) non tornava in termini energetici. Egli ragionò pressappoco così (mi riferisco alla figura del testo in cui un magnete viene mosso all’interno di una bobina): se infilando (ad esempio) il nord del magnete nella bobina ottengo che la bobina si magnetizza, occorrerà stabilire le polarità del magnete-bobina. Ebbene tale polarità non potrà essere un sud rivolto al magnete permanente perché in tal caso si violerebbe il principio di conservazione dell’energia (avvicinando il magnete alla bobina si avrebbero due poli che si attraggono e si creerebbe un movimento spontaneo e dell’energia elettrica nella bobina a spese di nulla); nella bobina, affacciato al magnete, dovrà crearsi un polo nord (stesso segno del magnete che si avvicina) cosicché si origina repulsione tra magnete e bobina; è proprio il vincere tale repulsione con uno sforzo meccanico che ci fornisce energia elettrica. Quel segno meno sta a dire che le correnti che si originano per induzione hanno sempre un verso tale da creare una opposizione alla causa che le origina. Quanto detto è illustrato nelle figure seguenti:

Il caso che ora discusso

Il caso del magnete che viene estratto: per quanto discusso, ora il movimento di sfilare il magnete dovrà essere impedito da una attrazione che la bobina esercita su di esso e quindi nella bobina la corrente dovrà circolare in modo da creare un sud dalla parte del magnete che si allontana per attrarlo.

(8) E’ utile vedere subito come un alternatore può diventare una macchina che fornisce corrente quasi continua. Basta sostituire gli anelli su cui strofinano le spazzole di un alternatore con un commutatore . Per comprendere di cosa si tratta si vedano le figure seguenti dove si confrontano anelli e commutatore con i relativi grafici che ci danno l’andamento della corrente prodotta in funzione del tempo.

                    (a)                                                          (b)

In (a) sono rappresentati gli anelli che già abbiamo visto nello schema di alternatore. In (b) vi è invece un commutatore (il più semplice possibile). Le spazzole della bobina strofinano su due semianelli in modo tale che, ad ogni mezzo giro (180°, il verso della corrente nella bobina risulta invertito cosicché mentre il grafico che rappresenta la corrente in funzione del tempo di (a) in un giro è quello rappresentato in (d), lo stesso grafico relativo al commutatore (b) è rappresentato in (c).

Il grafico di (c) è una sinusoide come (d) nella quale, ogni mezzo giro, viene ribaltata la semisinusoide negativa con il risultato che la corrente non passa per valori negativi ma ha sempre valori positivi. Una tale corrente viene chiamata continua anche se, come si vede, non lo è (una corrente continua, del tipo di quella fornita dalla pila, è rappresentata da una retta parallela all’asse orizzontale delle ascisse). Si può chiamare meglio una tale corrente come pulsante o unidirezionale. Per raddrizzare sempre più una corrente di un alternatore si usano dei commutatori più sofisticati nei quali il verso alla corrente cambia, in un giro, più e più volte. La figura che segue mostra al centro un

commutatore costituito da un cilindro suddiviso in tanti settori che, successivamente, vanno a toccare, da bande opposte, le spazzole in m ed n. Ad ogni nuovo settore che arriva in contatto con le spazzole in m ed n corrisponde un cambiamento di verso di circolazione di corrente nella bobina (Circuit extérieur).

(9) Alcune sorgenti luminose, non utilizzano la combustione di una qualche sostanza, ma il calore sviluppato nella combustione stessa. Se si introduce un cilindretto di ossido di calcio al forte calore della fiamma ossidrica, questo diventa incandescente e fornisce una  luce molto intensa. E’ questa una lampada di Drummond illustrata nella figura seguente:

Nei due rubinetti visibili sulla destra si immettono idrogeno ed ossigeno che bruciano nel becco di sinistra nella fiamma ossidrica. Tale fiamma va ad incidere sul silindretto disposto immediatamente davanti al becco.

(10) Si ha a che fare con due unità di misura, ormai obsolete (meno che nei Paesi di lingua inglese che continuano con unità di misura ormai fuori dalle leggi internazionali), che si chiamano cavallo. Il cavallo vapore HP introdotto in Gran Bretagna che vale: 1 HP = 745,7 w ed il cavallo potenza CV introdotto successivamente in Francia che vale: 1CV = 736 w.

(11) La bussola delle tangenti è un misuratore di intensità di corrente elettrica (un amperometro molto sensibile). Al centro di una spira posta lungo un meridiano magnetico, è sistemato un ago magnetico Se attraverso la spira passa corrente, l’ago ruoterà in funzione dell’intensità di corrente che passa nella spira. In un dato luogo, l’intensità di corrente è proporzionale alla tangente dell’angolo di deviazione dell’ago.

Bussola delle tangenti

(12) Riporto di seguito l’articolo di Pacinotti citato (http://www.fondazionegalileogalilei.it )

DESCRIZIONE DI UNA MACCHINETTA ELETTRO-MAGNETICA
DEL DOTT. ANTONIO PACINOTTI


Nel 1860 ebbi occasione di far costruire per conto del Gabinetto di Fisica Tecnologica dell’Università di Pisa un modelletto di macchina elettro-magnetica da me immaginata, e che ora mi risolvo a descrivere specialmente per far conoscere una elettro-calamita di genere particolare usata nella costruzione di quella, la quale oltre la novità che presenta, mi sembra adattata a dar maggior regolarità e costanza di azione in tali macchine elettro-magnetiche, come anche la sua forma mi sembra conveniente per raccogliere la somma delle correnti indotte in una macchina magneto-elettrica.
Nelle ordinarie elettro-calamite anche quando vi è adattato un commutatore sogliono i poli magnetici comparire sempre nelle medesime posizioni, mentre servendosi del commutatore che va unito alla elettro-calamita che descrivo, i poli si possono far muovere nel ferro sottoposto alla magnetizzazione. La forma del ferro di tale elettro-calamita è quella di un anello circolare. Per concepir facilmente l’andamento ed il modo d’agire della corrente magnetizzante, supponiamo che si avvolga sul nostro anello di ferro un filo di rame coperto di seta, e quando sia compita la prima spira in luogo di continuare l’elica montando sopra a quella già costruita, si chiuda il filo metallico

TAV. 4


saldando fra loro i due capi che si trovano l’uno presso dell’ altro; così avremo ricoperto l’ anello di ferro con una spirale chiusa isolata tutta diretta in un verso. Ora, se facciamo comunicare con i due poli della pila due punti assai distanti del filo metallico di quest’ elica, la corrente bipartendosi percorre 1’elica su l’ una parte e sull’ altra fra i punti di comunicazione, e le direzioni che assume son tali che il ferro dovrà magnetizzarsi presentando i poli là dove sono applicati i reofori.
La linea retta che congiunge questi poli si potrà dir l’asse magnetico, al quale potremo mutando i punti in comunicazione con la pila fare assumere qualunque posizione trasversale alla figura o cerchio di ferro, dell’elettro-calamita, che per questo mi piace chiamare elettro-calamita trasversale. I due pezzi di calamita posti dai due lati della retta (nella nostra macchina è il diametro ) che unisce i reofori della pila si possono considerare come due elettro-calamite curve contrapposte, con i poli del medesimo nome in presenza.
Per costruire su tal principio la elettro-calamita con la quale ho montata la macchinetta elettro-magnetica, presi un anello di ferro tornito, avente a guisa di rota 16 denti uguali, come sono accennati nella figura 1.a (Tav. IV). Questo anello è sostenuto da quattro raggi d’ottone aaaa (fig. 4) che lo uniscono all’ asse della macchina. Tra dente e dente dei piccoli prismi triangolari m (fig 1. e 4.) di legno lasciano dei solchi incavati, entro i quali avvolgendo del filo di rame coperto di seta son venuto ad ottenere fra dente e dente di questa ruota di ferro tante eliche o gomitoli elettro-dinamici bene isolati. In tutti questi rocchetti alcuni dei quali sono accennati con r (fig.3. 4) il filo è avvolto nel medesimo verso ed ognuno di essi risulta di 9 spire. Due rocchetti qualunque consecutivi come i due r r’ son fra loro separati da un dente di ferro della ruota e dal pezzetto o prisma triangolare di legno m m (fig. 1. 3. 4). Passando da un rocchetto a costruire il successivo ho lasciato libero un fiocco o staffa di filo di rame fissandolo al pezzo di legno m, che separa i due rocchetti. Sull’asse M M (fig. 3.) ove è annessa la rota così costruita, ho portato tutti i fiocchi che costituiscono con un capo il fine di un rocchetto e coll’ altro il principio del successivo facendoli passare per convenienti fori praticati in un collare di legno centrato sull’ asse medesimo, e quindi attaccando ciascuno al commutatore c (fig. 3.) pure centrato sul medesimo asse. Questo commutatore consiste in un basso cilindretto
di bossolo con due ranghi di incavi attorno alle estremità della superficie cilindrica nei quali sono incastrati 16 pezzetti di ottone, otto al di sopra ed altrettanti al di sotto; i primi alternati con i secondi, tutti concentrici al cilindro di legno, un poco sporgenti e tramezzati dal legno. Nella figura c del commutatore i pezzetti d’ottone sono accennati dagli spazi oscuri. Ciascuno di questi pezzetti di ottone è saldato col corrispondente fiocco congiuntivo fra due rocchetti. Sicché tutti i rocchetti comunicano fra loro, ciascuno essendo unito al successivo da un conduttore del quale fa parte uno dei pezzetti d’ottone del commutatore, e quindi mettendo in comunicazione con i poli di una pila due di questi per mezzo di due rotelle metalliche k k (fig. 3. 4.), la corrente bipartendosi percorrerà l’ elica sovra un lato e sull’altro dei punti d’onde partono i fiocchi uniti ai due pezzetti comunicanti, ed i poli magnetici compariranno nel ferro del cerchio in N, S. Sopra tali poli N, S agiscono i poli di una elettro-calamita fissa A B, e determinano la rotazione della elettro-calamita trasversale attorno al suo asse M M; giacché in essa anche quando è in movimento i poli si producon sempre nelle solite posizioni N, S che corrispondono alle comunicazioni con la pila.
Questa elettro-calamita fissa come mostrano le figure 3 e 4 è composta di due cilindri di ferro A B raggiunti insieme da una traversa F F di ferro alla quale uno sta fissamente avvitato e l’altro è formato da una vite sottoposta G che gli permette di scorrere lungo un solco per avvicinare o allontanare i poli dei cilindri A B ai denti della ruota. La corrente della pila entrando dal reoforo h passa per un filo metallico alla comunicazione l e da quella alla rotella k circola tutti i rocchetti della ruota e ritorna per la comunicazione l’ che la fa per altro filo di rame passare all’ elica che fascia il cilindro A. Da questa riuscendo passa all’elica del cilindro B, e si riporta per altro filo di rame al secondo reoforo h’.
Ho trovato molto vantaggioso l’ aggiungere ai due poli della elettro-calamita fissa due armature di ferro AAA, BBB dolce delle quali ciascuna abbraccia per più di un terzo di cerchio la ruota che costituisce la elettro-calamita trasversale, ponendole assai prossime ai denti della medesima, e collegandole fra loro con delle guide d’ottone EE, EE, come si vede nella proiezione orizzontale (f ig. 4). Queste armature non sono state disegnate nella proiezione verticale (fig. 3) della macchina perchè avrebbero occultati troppo i rocchetti e i denti della ruota. La macchina agisce anche quando la corrente passa solo per l’elettro calamita circolare, ma ha assai meno forza che quando la corrente passa anche per l’elettro calamita fissa.
Feci alcune esperienze tenendo conto del lavoro meccanico che la macchina produceva e del corrispondente consumo della pila.
Tali esperimenti erano sistemati nel modo seguente:
L’ albero della macchinetta elettro-magnetica portava un rocchetto Q Q (f ig. 3) il quale era abbracciato da un cordoncino che si chiudeva attorno ad una ruota assai grande e l’obbligava a girare quando la macchinetta elettro-magnetica si moveva. L’ asse di questa
ruota era orizzontale e su di esso avvolgendosi una corda sollevava un peso. Ad una delle estremità dell’ asse orizzontale dell’ arganetto era un freno che veniva aggravato talmente che il peso da sollevarsi, fosse sufficiente a porre in stato prossimo al moto tutto l’ apparecchio compresa la macchinetta elettro-magnetica non percorsa dalla corrente.
In tal disposizione allorché la macchina agisce, il lavoro meccanico speso per vincer gli attriti è uguale a quello impiegato a sollevare il peso, e per avere il lavoro totale fatto dalla macchina elettro-magnetica bastava raddoppiare quello ottenuto dal moltiplicare il peso attaccato per l’ altezza a cui era stato sollevato. Valutato così il lavoro meccanico prodotto, per conoscere il consumo che si faceva nella pila onde produrre un tal lavoro, era interposto nel circuito della corrente un voltametro a solfato di rame, del quale le lastre di rame venivan pesate avanti e dopo l’esperimento.
Riporterò i numeri ottenuti in una di tali esperienze con la macchinetta ad elettro-calamita trasversale. Questa macchinetta che aveva la ruota del diametro di 13 centimetri era mossa da una pila di 4 piccoli elementi alla Bunsen, e sollevò ad 8m,66 un peso di 3k,2812 valutati gli attriti : sicché fece un lavoro meccanico di 28km,7415. I1 rame positivo del voltametro diminuì in peso di grammi 0gm,224, il rame negativo aumentò di 0gm,235, sicché in media il lavoro chimico nel voltametro può dirsi 0g,229. Questo numero moltiplicato pel rapporto dell’ equivalente dello zinco a quello del rame, e pel numero degli elementi della pila, dà pel peso dello zinco consumato 0g,951. Quindi per produrre un chilogrammetro di lavoro meccanico sono stati consumati nella pila 33 milligrammi di zinco. In un’ altra esperienza fatta con 5 elementi il consumo è stato di 36 milligrammi per ogni chilogrammetro. Questi resultati sebbene non pongano il nuovo modello notabilmente al di sopra delle altre macchinette elettro-magnetiche , pure non mi sembran cattivi quando penso che in esso esistono dei difetti di costruzione che non si rinvengono nelle altre macchinette di tal genere. Fra questi devo notare che il commutatore è fatto in ottone e mal centrato sull’ asse di modo che non tutti i contatti si compion sempre sufficientemente bene.
Le ragioni che mi indussero a costruire la macchinetta elettro-magnetica col sistema descritto furono le seguenti : 1.a Nella disposizione adottata la corrente non cessa mai di circolare nelle eliche, e la macchina non si muove per una serie di impulsi che si succedono più o meno rapidamente, ma per una coppia di forze che agiscono continuamente. 2.a La costruzione circolare nella calamita ruotante contribuisce insieme col precedente modo di successiva magnetizzazione a dare regolarità nel movimento, e minimo disperdimento di forza viva in urti o in attriti. 3.a In essa non si cerca che la magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro delle elettro-calamite si compia istantaneamente, cosa alla quale si oppongono e le estracorrenti e la forza coercitiva della quale non si può mai spogliare completamente il ferro; ma si chiede solo che ogni porzione del ferro della elettro-calamita trasversale sottoposta sempre alle convenienti forze elettro-dinamiche passi successivamente per i vari gradi di magnetizzazione. 4.a E le estese armature della elettro-calamita fissa seguitando ad agire sovra i denti della ruota magnetica, ed abbracciandone un numero assai grande non abbandonano la sua azione finché in quelli rimanga magnetismo. 5.a Le scintille vengono aumentate di numero ma molto diminuite d’intensità, giacché non si hanno forti estracorrenti all’ aprire del circuito che può star sempre chiuso, e solo mentre la macchina agisce una corrente indotta continua diretta in verso contrario della corrente di pila.
Mi sembra che possa crescere il pregio in questo modello il poter ridur con facilità la macchina da una elettro-magnetica ad una magneto-elettrica con corrente continua. Quando in luogo della elettro-calamita A B (fig. 3. 4.) vi fosse una calamita permanente e
si facesse girare la elettro-calamita trasversale, si avrebbe infatti una macchina magneto-elettrica che darebbe una corrente indotta continua diretta sempre nel medesimo verso. Per trovare la posizione più conveniente degli scandagli sul commutatore, onde raccogliere la corrente indotta, osserviamo che per influenza sulla elettro-calamita mobile si formano i poli opposti alle estremità di un diametro in presenza ai poli della calamita fissa. Questi poli N S mantengono una posizione fissa anche quando la elettro-calamita trasversale ruota sul suo asse, quindi rispetto al magnetismo, e conseguentemente anche
alle correnti indotte, potremo considerare, o supporre, che i rocchetti di fil di rame girino inflati sopra la calamita circolare restando questa immobile. Per studiare le correnti indotte che sopra tali rocchetti si sviluppano, prendiamo in esame uno di essi nelle varie posizioni che può assumere. Dal polo N (fig. 2.) , andando verso il polo S: in esso si svilupperà una corrente diretta in un verso fino che sia giunto al punto di mezzo a, da questo punto in poi la corrente assumerà una direzione inversa. Da S poi procedendo verso N fino che siamo giunti al punto di mezzo b le correnti manterranno la stessa direzione che avevano fra a ed S ; dopo b di nuovo si invertiranno di direzione riprendendo quella che avevano fra N ed a. Ora siccome tutti i rocchetti comunicano fra loro, le forze elettro-motrici di una data direzione si sommeranno e daranno alla corrente totale la disposizione indicata dalle frecce nella figura 2, e per raccoglierla, le posizioni più convenienti per gli scandagli saranno a, b; ossia gli scandagli sul commutatore van posti ad angolo retto con la linea di magnetismo della elettro-calamita. La corrente indotta varia d i r e z i o n e cangiando il verso della rotazione. Ed in quanto al commutatore, quando gli scandagli sono sul diametro corrispondente alla linea di magnetismo comunque la elettro-calamita giri, essi non raccolgono alcuna corrente. Da tal posizione spostandogli su di un lato si ha corrente diretta in verso contrario a quella che si otterrebbe spostandogli sull’ altro lato.
Per fare sviluppare una corrente indotta dalla macchina costruita avvicinava alla ruota magnetica i poli opposti di due calamite permanenti, o magnetizzava con una corrente la elettro-calamita fissa che vi si trova, e obbligava a girare sul suo asse la elettro-calamita trasversale. Tanto nel primo che nel secondo modo otteneva una corrente indotta continuamente diretta nel medesimo verso, che mostrava ad una bussola una discreta intensità, anche dopo d’ avere attraversato il solfato di rame o l’ acqua acidulata, con acido solforico.
Ben si scorge che il secondo modo non può esser conveniente, ma che riman facile porre una calamita permanente in luogo della tomporaria AFFB, ed allora la macchina magneto-elettrica che ne resulta avrà il vantaggio di dare correnti indotte sommate e dirette tutte nello stesso verso, senza bisogno di organi meccanici che lo separino da altre opposte, o che rendano cospiranti le une colle altre. E questo modelloben mostra come la macchina elettro-magnetica sia opposta alla magneto-elettrica, giacché nella prima circolando per i rocchetti la corrente elettrica, introdottavi dai reofori l l’ si otteneva il moto della ruota e il suo lavoro meccanico, e nella seconda impiegando un lavoro meccanico per far girare la ruota si ottiene per effetto dalla calamita permanente una corrente che circola nei rocchetti, e si porta ai reofori l l’ per essere introdotta nel corpo sul quale deve agire.


[Da Il Nuovo Cimento, Serie 1, Volume XIX (1864), pag. 378, fascicolo del giugno 1864, pubblicato il 3 maggio 1865].

(13) E’ vergognoso il modo in cui alcuni storici NON raccontano la storia, neppure in modo ipotetico. E’ il caso di una prestigiosa “Storia della tecnologia” come quella coordinata da Singer (vedi Bibliografia). Parlando in 9 righe dell’anello di Pacinotti, conclude:

L’apparecchio venne descritto in un giornale italiano del 1864, ma a quel tempo non sembra che suscitasse più di un interesse casuale“.

(14) Fino ad ora ho parlato di elettromagneti senza soffermarmi sul nucleo metallico intorno al quale è avvolta la bobina. In genere tale nucleo è di ferro dolce o di acciaio ma ha delle caratteristiche costruttive speciali a seguito di una scoperta dovuta al fisico Léon Foucault (1819-1868), quello del pendolo per dimostrare la rotazione della Terra su se

Léon Foucault

stessa (1851) e quello che dimostrò che la velocità della luce è maggiore nei mezzi meno densi (1849-1850). Facendo esperienze con elettromagneti (1855) Foucault si accorse del forte riscaldamento cui era soggetto il nucleo massiccio di ferro su cui era arrotolata la bobina. La cosa era dovuta all’induzione (ed anche a fenomeni d’isteresi dei quali qui non mi occupo): la bobina in cui passava corrente elettrica induceva  nel ferro massiccio intensissime correnti che, data la legge di Joule (il riscaldamento dei conduttori va con il quadrato dell’intensità di corrente), provocavano un forte riscaldamento del nucleo metallico. Sostituendo i nuclei metallici massicci con nuclei costituiti da lamierini isolati l’un l’altro ed assemblati per avere la forma del nucleo massiccio, l’effetto di riscaldamento si riduceva di molto. Da quel momento ogni oggetto metallico che debba muoversi dentro campi magnetici e perciò soggetto ad induzione deve essere ridotto a strisce sottili, isolate e poi riassemblate per evitare un grande dispendio di energia, quando non la rottura degli apparati per eccessivo riscaldamento.

E’ anche possibile utilizzare le correnti di Foucault (dette correnti parassite) in alcuni apparati tecnologici, come i freni elettromagnetici. Riferendoci alla figura seguente, se con la manovella mettiamo in moto il disco di rame massiccio, esso ruoterà sempre più velocemente. Se facciamo passare corrente negli elettromagneti, si indurrà nel rame una corrente indotta che, per la legge di Lenz, tenderà a circolare in modo da opporsi al movimento che la ha generata.

Tale movimento è quello del disco che verrà frenato. Quindi, azionando un interruttore elettrico (si pensi ad un pedale d’automobile), è possibile frenare un disco conduttore massiccio in rotazione. Naturalmente non deve essere quella la ruota su cui cammina il veicolo ma può essere montato coassialmente alle sue ruote. Tale sistema è in uso in evoluti sistemi a rimorchio. Se si vuole frenare un rimorchio è semplice, tramite un cavo, inviare corrente alle sue ruote. Si ottiene la frenata in simultanea con la motrice. Nei sistemi antiquati il freno dei rimorchi (molto pericoloso) avviene per inerzia: quando la motrice frena, il rimorchio tende a proseguire per inerzia spingendo la motrice, nel far ciò aziona una leva meccanica che aziona i freni.

(15) Nel 1881 fu progettata dalla Armington & Sims (175 CV e 1350 giri/minuto) una macchina a vapore proprio al fine di alimentare la dinamo della centrale elettrica per illuminazione di Pearl Street a New York (1882). I migliori risultati si ottennero però con l’invenzione della turbina a vapore Parsons (dal nome dell’ingegnere inglese Charles Parsons) del 1884. Con il suo primo modello si realizzò un accoppiamento a 18000 giri/minuto con una dinamo che produceva 7,5 Kw di potenza elettrica.

(16) Il primo trasformatore, anche se nessuno se ne accorse era il primo anello d’induzione di Faraday (1831). Furono Antoine Philibert Masson (1806-1858) in collaborazione con Louis Francois Clement Breguet che introdussero (1840) le prime bobine che poi verranno usate da Ruhmkorff per la realizzazione del suo rocchetto (che illustrerò subito dopo). Occorrerà però attendere il 1888 perché il vero e proprio trasformatore sia realizzato dal francese Lucien Galuard (1850-1888) ed indipendentemente dall’americano J. Willard Gibbs (1839-1903), molto famoso per i suoi contributi alla meccanica statistica.

J. W. Gibbs

Il principio di funzionamento di un trasformatore (statico e monofase) è semplice e basta una figura per comprendere di cosa si tratta:

Al centro vi è il trasformatore che ha un nucleo di ferro (traferro) costituito da tanti lamierini assemblati (per evitare le correnti parassite di Foucault). Sulla sinistra del traferro (circuito primario) vi è una corrente alternata con determinate caratteristiche di tensione e di corrente trasportata da un conduttore che viene avvolto in un certo numero di spire N1. Poiché la corrente è alternata vi sarà una continua variazione di flusso concatenato con l’avvolgimento sulla destra del traferro (questo è il motivo per cui i trasformatori non sono utilizzabili in corrente continua: essa fornisce un flusso costante). Questo avvolgimento, se ha lo stesso numero di spire del primario allora la corrente verrà fuori identica (salvo le perdite) a quella del primario; se ha un numero di spire maggiore vedrà aumentare la tensione e diminuire l’intensità della corrente (figura a destra da confrontare con quella a sinistra), e questo è un trasformatore elevatore di tensione che è sempre all’uscita di una centrale di produzione elettrica; se ha un numero di spire inferiore vedrà  aumentare l’intensità e diminuire la tensione della corrente, e questo è un trasformatore elevatore di corrente che si usa sempre all’arrivo di una linea di trasmissione da un centrale di produzione elettrica. La legge dei trasformatori è una proporzione che lega numero di spire del primario e secondario, con le rispettive tensioni:

e2 : e1 = N2 : N1

con le che rappresentano le tensioni rispettivamente del secondario e del primario e le N che rappresentano il numero di spire, rispettivamente del secondario e del primario

        Un cenno al rocchetto di Ruhmkorff per quello che ha poi permesso di scoprire. Lo strumento, riportato in figura I (nella figura II vi è una sua sezione; nella figura III vi è un particolare della figura precedente), funziona nel modo seguente. Ricordando la legge di Faraday-Neumann-Lenz, la forza elettromotrice indotta E è data dalla velocità di variazione del flusso dell’induzione magnetica (preceduta da un segno meno). Quando circola corrente nel primario (PP’ di figura II) si crea un grande campo elettromagnetico che va ad indurre una f.e.m. molto elevata nel secondario (SS di figura II). Questa f.e.m. indotta sarebbe solo istantanea se non vi fosse una variazione del campo inducente; a quest’ultima cosa provvede un interruttore V che, con estrema rapidità, porta a zero e quindi di nuovo al massimo il campo inducente.

(17) Per comprendere il funzionamento di questo motore osserviamo la figura seguente.

In essa un magnete che ruota trascina un ago magnetico. Si suole dire che il magnete genera un campo magnetico rotante. L’esperienza mostra che un tale campo magnetico rotante si può ottenere anche facendo passare le tre fasi di una corrente trifase in tre bobine distinte disposte tra loro a 120° come rappresenta la figura seguente perché, se

nel centro si pone un ago magnetico, si vede che questo ruota come nell’esperienza precedente. Ciò avviene a seguito dei fenomeni d’induzione di ciascuna delle tre bobine. Se ora disponiamo di un alternatore trifase (o anche bifase) che alimenta un motore costituito dalle bobine di induzione magnetica, queste ultime generano, nello spazio che corrisponde a quello in cui ruota l’induttore dell’alternatore, campi magnetici variabili e alternati, che si compongono in un campo risultante simile a quello di detto induttore, cioè rotante. Se la frequenza delle correnti è 50 Hz, il campo rotante compie 50 giri al secondo. Ogni circuito chiuso, collocato in modo da essere investito da questo flusso rotante, diventa sede di correnti indotte, che si manifestano con un effetto meccanico, l’azione di una coppia di forze, perché l’indotto si oppone alle variazioni del flusso (legge di Lenz) partecipando alla sua rotazione. Un indotto girevole attorno a un asse, viene messo in rotazione dalla coppia, con un momento tanto più forte quanto più grande è la differenza fra la velocità di rotazione del campo e quella dell’indotto (cioè la velocità relativa del rotore rispetto al campo rotante).
        Il campo magnetico rotante permette la realizzazione di ottimi motori elettrici, detti motori a induzione o anche motori asìncroni, perché la velocità del rotore è indipendente dal periodo T nel senso che può variare entro vasti limiti, svincolata dal periodo T della corrente alternata la loro velocità è inoltre indipendente dal numero dei poli. Il motore asincrono Ferraris è dunque costituito da uno statore, simile allo statore di un alternatore

trifase, e da un rotore costituito da un cilindro di rame, in seguito modificato in una «gabbia» di sbarre di rame infilate in apposite cavità periferiche di un cilindro di ferro (un pacco di lamine circolari) con gli estremi saldati a due anelli di rame. Questa miglioria (1890) fu dovuta al tedesco di origine russa Mihail Osipovic von Dolivo-Dobrovolskij (1862-1919), al quale si deve anche la realizzazione dei trasformatori trifase, che lavorava presso la AEG, filiale tedesca della Edison americana (la Deutsche Edison-Gesellschaft fondata nel 1883).

Rotore a gabbia di scoiattolo

Nessun collettore: basta immettere nello statore le correnti alternate di un sistema trifase, già collegate negli avvolgimenti interni dello statore stesso, regolandone inizialmente le intensità perché il rotore si avvii e si conservi in rotazione.

(18) La corrente prodotta dal primo schema di principio di Faraday era monofase perché, in uscita si aveva una sola sinusoide. Con particolari arrangiamenti tecnici e per ragioni commerciali, è possibile che uno stesso alternatore fornisca due correnti o tre o quante se ne vuole, ciascuna regolarmente sfasata rispetto alle altre e rappresentata da una sinusoide. Nel caso di una corrente trifase usciranno dall’alternatore tre correnti, ciascuna sfasata di 120° rispetto alle altre. Questa è la situazione più favorevole perché si è scoperto che per portare le tre correnti non occorrono 6 fili (tre per l’andata e tre per il ritorno) ma solo 4, tre per l’andata ed uno per il ritorno (se si pensa questa situazione in linee di trasmissione di centinaia di chilometri, si capisce il ritorno economico).


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