Forza su un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico
Una carica in movimento in un campo magnetico sente una forza. Una corrente è solo l'insieme di tante cariche in movimento, quindi un filo percorso da corrente dentro un campo magnetico viene spinto. Questa spinta è la forza magnetica sul conduttore.
Da che cosa dipende la forza?
- Corrente (I): più corrente, più forza.
- Intensità del campo (B): un magnete più forte dà più forza.
- Lunghezza del filo nel campo (L): filo più lungo, più forza.
- Angolo θ tra filo e campo: la forza è massima a 90° (perpendicolare) e diventa zero quando il filo è parallelo al campo (0° o 180°).
In breve, F ∝ I · B · L · sin θ. (In Classe 10 bastano le idee; la formula F = BIL sin θ si usa nelle classi superiori.)
Verso della spinta: regola della mano sinistra di Fleming
Allarga pollice, indice e medio della mano sinistra in modo che siano ad angolo retto tra loro. Punta l'indice lungo il campo (da N a S) e il medio lungo la corrente. Il pollice mostra allora il verso della forza (moto) sul conduttore. Se inverti la corrente o il campo, la forza si inverte; se inverti entrambi, resta uguale.
Motore elettrico (solo valutazione formativa nel 2026-27)
Nota: per il CBSE 2026-27, motore, induzione elettromagnetica e generatore sono valutati solo in modo formativo (verifiche in classe, attività), non nell'esame finale. Studiali comunque: spiegano ogni ventilatore e ogni centrale elettrica.
Un motore elettrico trasforma energia elettrica in energia meccanica. Le sue parti:
- Bobina dell'armatura: una bobina rettangolare di filo di rame isolato, spesso avvolta su un nucleo di ferro dolce, posta tra i poli di un magnete.
- Collettore a anello diviso: un anello tagliato in due metà collegate alle estremità della bobina. Gira insieme alla bobina.
- Spazzole: due lamine di carbone o metallo che premono sull'anello diviso e portano la corrente dalla batteria.
Come funziona
La corrente scorre in un verso in un lato lungo della bobina e nel verso opposto nell'altro lato, quindi, per la regola della mano sinistra, un lato è spinto in su e l'altro in giù. La bobina gira. Dopo mezzo giro le metà dell'anello diviso scambiano le spazzole, la corrente nella bobina si inverte e le forze spingono di nuovo la bobina nello stesso verso. Così la bobina continua a ruotare in una sola direzione. I motori commerciali usano elettromagneti, molte spire di filo e un nucleo di ferro dolce per essere più potenti.
Induzione elettromagnetica e generatore
Michael Faraday scoprì l'effetto contrario: un campo magnetico che cambia attraverso una bobina produce in essa una corrente. Questa è l'induzione elettromagnetica e la corrente si chiama corrente indotta.
- Spingi un magnete dentro una bobina collegata a un galvanometro: l'ago si sposta (devia).
- Tiralo fuori: l'ago si sposta dall'altra parte.
- Tienilo fermo: nessuna deviazione, perché il campo non cambia.
- Muovilo più in fretta, usa un magnete più forte o più spire: la deviazione è maggiore.
Regola della mano destra di Fleming
Per un conduttore che si muove in un campo, allarga pollice, indice e medio della mano destra ad angolo retto. Indice = campo, pollice = moto del conduttore, medio = verso della corrente indotta.
Generatore elettrico
Un generatore trasforma energia meccanica in energia elettrica. Una bobina viene fatta ruotare tra i poli di un magnete; ogni lato taglia il campo e si induce una corrente. Con gli anelli collettori la corrente si inverte a ogni mezzo giro e si ottiene AC (generatore di corrente alternata). Con un collettore a anello diviso l'uscita scorre sempre nello stesso verso e si ottiene DC (generatore di corrente continua).
Corrente alternata (AC) e continua (DC)
La corrente continua (DC) scorre sempre in un solo verso. Pile, batterie e pannelli solari danno DC.
La corrente alternata (AC) inverte il suo verso più volte a intervalli regolari. In India la corrente di casa è AC a circa 220 V e 50 Hz: cambia verso 100 volte al secondo (due volte in ogni ciclo).
| AC | DC |
|---|---|
| Il verso si inverte periodicamente | Un solo verso |
| Dai generatori AC delle centrali | Da pile, batterie, generatori DC |
| Si trasporta a grandi distanze con poca perdita di energia (la tensione si cambia con i trasformatori) | Difficile da alzare o abbassare di tensione; usata nell'elettronica |
Formule e definizioni chiave
- F ∝ I · B · L · sin θ (forza su un conduttore; F = BIL sin θ nelle classi superiori)
- θ = 90° → forza massima; θ = 0° o 180° → forza nulla
- Regola della mano sinistra di Fleming (motore): indice = campo, medio = corrente, pollice = forza
- Regola della mano destra di Fleming (generatore): indice = campo, pollice = moto, medio = corrente indotta
- Motore: elettrica → meccanica; Generatore: meccanica → elettrica
- Rete indiana: AC, 220 V, 50 Hz → il verso si inverte 100 volte al secondo
Esempi svolti
1. Un filo va da est a ovest (corrente verso ovest) in un campo magnetico che punta verticalmente verso il basso. In che verso va la forza?
Indice verso il basso (campo), medio verso ovest (corrente). Il pollice sinistro punta allora verso sud. Quindi la forza è diretta verso sud.
2. Un filo percorso da corrente è posto parallelo alle linee del campo magnetico. Quale forza agisce su di esso?
L'angolo tra filo e campo è 0°, quindi sin θ = 0 e la forza è zero. Il filo non viene spinto affatto.
3. In un esperimento con barra su rotaie la barra si muove verso sinistra. Che cosa succede se (a) si inverte la corrente, (b) si invertono sia la corrente sia il campo?
(a) Invertendo una sola delle due, la forza si inverte, quindi la barra va a destra. (b) Invertendo entrambe ci sono due inversioni che si annullano, quindi la barra va ancora a sinistra.
4. L'alimentazione AC in India è a 50 Hz. Quante volte la corrente cambia verso in un secondo?
Ogni ciclo ha due inversioni. 50 cicli × 2 = 100 inversioni al secondo.
5. Perché un motore ha bisogno di un collettore a anello diviso?
Senza di esso, dopo mezzo giro le forze sui lati della bobina la spingerebbero indietro e la bobina oscillerebbe soltanto. L'anello diviso inverte la corrente nella bobina a ogni mezzo giro, così il momento della forza agisce sempre nello stesso verso e la bobina continua a girare.
Errori comuni
- Usare la mano destra per la forza su un conduttore. Forza (effetto motore) = mano SINISTRA; corrente indotta (generatore) = mano DESTRA.
- Pensare che un magnete fermo dentro una bobina produca corrente. Solo un campo CHE CAMBIA (moto relativo) induce corrente.
- Credere che la forza sia uguale a ogni angolo. È massima a 90° ed è zero quando il filo è parallelo al campo.
- Confondere gli anelli: un motore DC e un generatore DC usano un collettore a anello diviso; un generatore AC usa anelli collettori.