IL GENERATORE OMOPOLARE DI FARADAY
E'
improbabile che troviate la descrizione del
generatore omopolare di Faraday in qualsiasi libro di testo
universitario sull'elettromagnetismo. L'argomento più vicino che
troverete è il normale generatore omopolare. La differenza fondamentale
è che nel generatore di Faraday il magnete che produce il campo
magnetico si muove o ruota insieme al conduttore dove ci si aspetta
venga generata la tensione. Il suo funzionamento fu descritto per primo
da Faraday nel 1831 e la fig. 1 mostra una realizzazione pratica della
scoperta. Un disco metallico, 3 o 4 volte il diametro del magnete ad
anello, è incollato al magnete stesso e la combinazione è ruotata mentre
la tensione è misurata tra due contatti scorrevoli: uno situato al
centro mentre l'altro può scorrere dal centro fino al bordo del disco.
Si ha il massimo della lettura quando il contatto A è ad una posizione
corrispondente al raggio del magnete, o poco oltre. In effetti, si
leggerà quasi la stessa tensione sia che la si misuri tra il centro e il
bordo del magnete oppure tra il bordo del magnete e il bordo del
disco. Ovviamente la prima soluzione è quella più pratica. Come
generatore sembra avere solo difetti: la tensione d'uscita è
generalmente piuttosto bassa, appena oltre 2 mV con la mia
configurazione che usava un motorino elettrico da 4V continui che
ruotava tra i 20 e i 40 giri/sec ed un magnete ad anello da 36mm di
diametro. Altri sperimentatori hanno raggiunto centinaia di millivolt ed
anche di più con magneti e motori più potenti. E' una macchina in
corrente continua e la presenza di contatti striscianti introduce una
caduta di tensione che potrebbe rendere il generatore totalmente
inutilizzabile a causa dell'alta corrente che ci si aspetta. Tuttavia,
ci sono degli aspetti piuttosto misteriosi che riguardano questo
generatore: dal momento che il magnete si muove insieme al disco di
rame, ci si aspetterebbe che non venga generata nessuna tensione. In
effetti la tensione è definitivamente presente ed è la stessa tensione
che viene generata quando il magnete è fermo ed è il disco che si muove.
Quest'ultimo caso può essere spiegato con la legge sull'induzione e
possiamo immaginare che quando si ruota sia il disco che il magnete la
tensione viene generata nel filo connesso alla spazzola; tuttavia questo
succede indipendentemente dall'orientamento del filo stesso, la sua
dimensione, ridotta ad un ago e dal fatto che sia stato schermato
magneticamente, ad eccezione del punto di contatto. Comunque il vero
problema si affaccia quando consideriamo il suo funzionamento come
motore elettrico: dovremmo aspettarci una rotazione della combinazione
magnete/disco dopo che una certa tensione viene applicata attraverso i
contatti striscianti. Da un punto di vista pratico potrebbe essere
abbastanza difficile mandare, per esempio, centinaia di Ampere
attraverso i contatti striscianti ma sono le implicazioni teoriche che
rimangono senza una soddisfacente risposta: contro cosa si muove il
magnete/disco? L'unico materiale solido sono i contatti striscianti ma
la direzione della corrente è tale che il disco non sembra esercitare
alcuna forza su di loro, almeno per un certo orientamento o quando sono
schermati. Il magnete/disco si muove senza una controforza? Per contro,
se usiamo l'apparato come generatore e applichiamo un carico, non siamo
in grado di vedere dove viene esercitata la controforza e il generatore
sembra generare elettricità senza un corrispondente carico in ingresso,
ad eccezione delle perdite causate dai contatti striscianti. A causa
delle implicazioni, ci si aspetterebbe di vedere una serie di
esperimenti ma c'è poca attività in questa area e solo alcuni
ricercatori sono stati o sono coinvolti in questo tipo di macchina.
Da un punto di vista sperimentale è bene esplorare altri tipi di configurazioni meccaniche con la segreta speranza di trovare qualche indizio per una migliore comprensione del fenomeno.
La bassa tensione, tipica di queste macchine, può essere incrementata semplicemente ponendo un altro magnete con il polo Sud verso il disco di rame della fig. 1, in modo tale che il disco risulti in mezzo; in questo modo si ha una tensione doppia. E' stato concepito anche un altro esperimento con lo scopo di studiare differenti configurazioni meccaniche (fig. 3).
Due
magneti
ad anello, dello stesso tipo utilizzati nel primo esperimento, sono stati montati in modo tale che lo stesso polo magnetico
sia rivolto l'uno contro l'altro. La distanza è di circa 20mm. Un
manicotto di rame è stato montato in modo da sovrapporsi leggermente con
i poli dello stesso segno dei due magneti. La tensione è stata prelevata
proprio sul bordo del manicotto come mostrato nel disegno ed anche in
questo caso è stata misurata una tensione doppia. Un vantaggio di questa
soluzione è che entrambi i contatti sono uguali: questo può tornare
comodo dal punto di vista meccanico perché evita di doversi connettere
ad un punto centrale. In tutti gli esperimenti eseguiti non è stata
osservata nessuna variazione o diminuzione della tensione a dispetto di
schermi magnetici, sotto forma di tubetti di ferrite o di acciaio,
applicati ai fili che collegano le spazzole. Per evitare le correnti
parassite, le spazzole sono state ridotte di dimensioni finché non erano
altro che degli aghi ma la tensione è rimasta sempre la stessa.
Il fatto che il generatore omopolare di Faraday sia una macchina in corrente continua è un inconveniente che ne limita la sua flessibilità. Fig. 4 è una proposta di una macchina a corrente alternata.
Come c'era da aspettarsi la tensione d'uscita dipende dalla velocità del rotore e dall'intensità del campo magnetico. Quello che non ci si aspettava invece è il fatto che la tensione più alta è presente quando una delle spazzole è posta dove il campo magnetico è più disomogeneo mentre l'altra spazzola è posta dove il campo è omogeneo o assente. Un caso particolare è la macchina di fig. 3 dove entrambe le spazzole sono immerse in un campo disomogeneo ma si riferiscono entrambi ad un punto a zero potenziale a metà strada tra le due spazzole. In effetti si è trovato che la massima tensione si ha ad una distanza ben precisa tra i due magneti di fig. 3; è probabile che le linee magnetiche vengano più o meno deformate e quindi il campo risultante è più o meno omogeneo.
I
risultati di tutti gli esperimenti sembrano confermare la legge che un
conduttore genera una tensione quando si muove in un campo magnetico non
omogeneo (fig. 5b). Ripetiamo adesso l'esperimento di Faraday (fig.
5a) ma questa volta utilizziamo un magnete cilindrico ( due sono
mostrati nel disegno per avere un sistema meccanicamente bilanciato) che
forniscono un campo magnetico che non si estende a tutto il disco. Il
contatto strisciante è vicino al magnete. Se si ruota il solo disco si
ha la stessa tensione della fig. 1 ma la rotazione del disco e
del magnete non da la stessa tensione
ma una tensione impulsiva unidirezionale, dopo aver eliminato la
tensione indotta. E' adesso il filo connesso al contatto strisciante che
è immerso in un campo magnetico non uniforme ed è lui che genera la
tensione omopolare. L'esperimento originale di Faraday (fig. 1)
con il disco e il magnete che si muovono insieme è un caso particolare
perché possiamo pensare che sia il contatto strisciante che si muove in
un campo magnetico non uniforme a diventare sede di una tensione
continua dovuta al campo sempre presente. In fig. 5b possiamo muovere
insieme sia il conduttore che il magnete che genera il campo ma avremo
sempre una tensione continua perché è lo stesso che mantenere fermo il
conduttore/magnete e muovere i contatti striscianti nello stesso campo
non uniforme. Adesso sappiamo dove viene generata la tensione e
qualsiasi schermatura preserva la disomogeneità nel punto di contatto e
quindi non fa alcuna differenza. Farà invece differenza quando si
considerano le forze meccaniche che agiscono sulle varie parti ma sono
necessari altri esperimenti per avere delle risposte soddisfacenti.
Riferimenti e link:
1) http://www.marmet.org/louis/induction_faraday/index.html (sito in francese)
2) http://depalma.pair.com/index.html
3) http://depalma.pair.com/Tewari/Tpatent.html
4) Di Mario, D. 2001, Faraday's Homopolar generator, Electronics World, (vol. 107-1786), Highbury Business Communications, Cheam, UK
5) Marinov, S. 1995, On the fundamental law in electromagnetism, Speculations in Science and Technology, (vol. 18-2), Chapman & Hall, London
6) Mencherini, L. 1993, Relativistic interpretation of kennard's and Müller's experiments on the unipolar induction phenomenon, Speculations in Science and Technology, (vol. 16-2), Chapman & Hall, London
7)Martin, T. (editore), 1932, Faraday's Diary, Para. 255-257, Bell.