LA STRANA BOLLA

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.

Se prendiamo un comune magnete metallico di forma cilindrica, possiamo fare a meno del disco di rame. Una tensione viene generata tra uno qualsiasi dei poli magnetici e il punto centrale del magnete stesso. (Fig. 2) La posizione esatta e la forma del contatto strisciante B non è critica ma si ottiene una tensione più alta se il contatto è spostato lontano dall'asse o addirittura messo sul bordo. La tensione diminuisce se il contatto A si allontana dalla sua posizione centrale fino ad arrivare a zero quando il contatto raggiunge uno dei due poli. La massima tensione misurata è stata di 2,4mV usando lo stesso motorino elettrico dell'esperimento precedente e un magnete lungo 25mm e dal diametro di 6mm. Le stesse considerazioni sulla controforza

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.

Un magnete quadrato, con un polo Nord e Sud sui due lati viene ruotato e la tensione è prelevata attraverso delle spazzole poste alla periferia del disco.  Se una delle due spazzole è posta al centro del disco si ha una tensione metà. Il più serio problema con questo generatore è che vi è anche una tensione indotta sui fili connessi alle spazzole. Questo significa che se desiderate misurare la tensione omopolare dovete eliminare la tensione indotta. Questo è stato abbastanza difficile e schermare i fili con tubetti di ferrite è servito solo fino ad un certo punto. Non sono stato in grado di eliminare totalmente il segnale indotto che interferiva con il segnale generato secondo l'effetto omopolare. Sembra esserci anche una differenza di fase di 90 gradi tra i due segnali ma ulteriori approfondimenti si sono rivelati difficili a causa del basso valore dei segnali e del precario assemblaggio meccanico che stavo usando. Una variante al suddetto generatore in alternata è stata realizzata utilizzando il rotore della dinamo delle biciclette, un magnete ad otto poli. La sua circonferenza esterna è stata ricoperta con uno strato di rame. Le spazzole sono state poste ad una distanza di 45 gradi, o multipli dispari,  l'una dall'altra; questa è la stessa distanza di un polo magnetico rispetto all'altro. Il segnale interferente prodotto dalla tensione indotta è ancora più difficile da controllare e occorre un'attenta schermatura magnetica ed un'accurata disposizione dei fili se si vuole avere la sola tensione omopolare.

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.

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