Questa semplice fonte di energia azionata meccanicamente ha quasi 200 anni e ha ancora un ruolo ben definito, sebbene limitato, nei sistemi odierni.
Cosa o chi è un magnete? No, un “magneto” non è solo il potente mutante che ha la capacità di generare e controllare campi magnetici e che è apparso per la prima volta nel numero d'esordio di Gli X-Men in 1963.
Invece, il magnete ingegneristico è un modo elettromeccanico di base per convertire il movimento – solitamente rotatorio, ma può essere lineare – in energia elettrica. Nonostante la sua età, è una tecnica molto antica ed è ancora utilizzata in versioni moderne che vanno da applicazioni relativamente banali a quelle di fascia alta in cui la sicurezza è fondamentale. In alcuni casi, potresti anche considerare l’uso del magnete come una forma di raccolta di energia, poiché prende o “sifone” parte dell’energia meccanica disponibile e la converte in energia elettrica.
Nota: i termini e parametri energia e potenza sono entità distinte. L’energia è la capacità di compiere lavoro, mentre la potenza è la velocità con cui il lavoro viene svolto. Per i nostri scopi in queste FAQ, tuttavia, i due termini sono grosso modo intercambiabili e non è necessario fare alcuna distinzione tra loro.
Queste domande frequenti esploreranno la storia, la costruzione e le applicazioni del magnete, nonché i suoi vantaggi e limiti.
D: Inizia dalle basi: cosa fa un magnete?
A: Un magnete è costituito da un magnete permanente e da una bobina elettrica avvolta (in rame). È una fonte di corrente elettrica “instabile” non CC, che funziona come un generatore elettrico grezzo, elementare ma efficace. Il flusso variabile o invertito generato da un magnete che passa attraverso o attraverso la bobina produce una differenza di tensione attraverso la bobina primaria (Legge di Faraday) (Figure 1
). Questa differenza di tensione fa anche passare una corrente attraverso la bobina e verso un carico, creando così energia elettrica dal movimento meccanico.
D: Esiste più di una struttura magnetica di base?
A: SÌ. Un magnete a navetta ha un magnete fisso mentre la bobina ruota o si muove; un magnete induttore mantiene fissa la bobina durante la rotazione o lo spostamento del magnete. Il design dell'induttore è solitamente preferito poiché non è necessario collegare i fili a un gruppo bobina mobile o rotante, quindi il design è più affidabile. In ogni caso, il principio fisico sottostante e l'uso della Legge di Faraday sono gli stessi.
D: Che aspetto ha l'output grezzo di un magnete? Qual è la sua ampiezza?
A: L'uscita è una forma d'onda CA molto non sinusoidale (Figure 2
). L'attitudine è una funzione della struttura, delle dimensioni e della velocità con cui il magnete supera la bobina ed è localmente compresa tra ±15 e ±40 V; alcuni magneti più grandi possono fornire fino a ±100 V.
D: Qual è la differenza tra un magnete e una dinamo?
A: In generale, una dinamo produce una corrente CA sinusoidale pulita e a bassa armonica, che è molto diversa dalla forma d'onda distorta e "spigolosa" del magnete.
D: Quanti anni ha l'uso del magnete come fonte elettrica?
A: Molto vecchio. Il costruttore francese di strumenti Hippolyte Pixii lo costruì nel 1832, appena un anno dopo la scoperta dei principi dell'induzione elettromagnetica da parte di Michael Faraday. Azionato da una manovella, il suo magnete fu il primo pratico generatore di corrente elettrica (Figura 3).
Girando la manovella si faceva sì che i magneti rettangolari (relativamente deboli, a quei tempi) entrassero e uscissero dalle bobine avvolte tramite un semplice meccanismo di movimento da rotatorio a lineare, generando così la corrente elettrica. Questo è stato il primo schema senza batteria per generare un flusso di corrente affidabile e alquanto continuo. Anche se non era continuo come sarebbe quello di una batteria, era una fonte “pulita” che non comportava sostanze chimiche né soffriva di esaurimento.
D: Tutto questo sembra storia antica e in qualche modo irrilevante. Perché dovremmo guardarlo adesso?
A: Innanzitutto, i magneti furono utilizzati per le prime auto, come il Modello T, e portarono a molti sviluppi nel settore la tecnologia delle moderne accensioni a scintilla e dell’elettromagnetismo. Ancora più importante, sono ancora ampiamente e più efficaci grazie a materiali, componenti meccanici e magneti migliori.
D: Dove vengono utilizzati? Qual è il loro ruolo?
A: Sono utilizzati sia in applicazioni “di fascia bassa”, come rasaerba o motoseghe a benzina, sia in piccoli aerei. L'uscita elettrica a bassa tensione del magnete viene trasformata in una tensione/corrente adatta ad accendere la candela del motore a benzina a pistone a combustione interna. Queste applicazioni legate alle scintille sono quelle dominanti per i magneti, dove non è necessario fornire un flusso continuo di energia ma solo esplosioni periodiche.
Venivano utilizzati anche agli albori della telefonia, quando l'utente girava una manovella sul lato del telefono per generare la tensione più alta (da 50 a 100 V) necessaria per la suoneria (campanello), mentre una batteria a bassa tensione essere utilizzato per il circuito di conversazione vero e proprio (Figure 4 ).
D: La tensione di uscita del magnete viene utilizzata direttamente?
A: In genere non è direttamente utile. Può essere utilizzato "così com'è" se alimenta solo un circuito a tensione inferiore come la suoneria del telefono (circa 20-40 V, a volte fino a 80-100 V). Tuttavia, la tensione è troppo bassa per innescare una scintilla in un motore alimentato a gas dove sono necessari circa 10 kV. In questi casi, vengono impiegati vari schemi di incremento della tensione che utilizzano un trasformatore a doppio avvolgimento in cui la tensione del magnete è il primario e il trasformatore la aumenta di due ordini di grandezza (da 10 V a 1000 V).
D: Perché ancora oggi vengono utilizzati i magneti? Dopotutto, ora disponiamo di batterie potenti e leggere.
A: Uno dei vantaggi di un sistema di accensione magnetica è che non richiede alcuna fonte di alimentazione esterna, come ad esempio una batteria; è un sistema totalmente autonomo e autoalimentato. Ciò lo rende una buona scelta per le applicazioni in cui una batteria come fonte di alimentazione CC primaria non è disponibile o fattibile, come i piccoli motori (tosaerba, motoseghe). Inoltre, i sistemi di accensione magnetica sono relativamente semplici e hanno poche parti mobili, il che li rende durevoli e di facile manutenzione.
D: È logico, ma qual è il loro utilizzo negli aerei?
A: Ci sono diverse ragioni per cui anche i moderni aerei con motore a elica/pistone dotati di batterie utilizzano ancora i magneti per fornire ai cilindri scintille ad alta tensione; sono i seguenti:
- I magneti non dipendono dal sistema elettrico dell'aereo, dalle batterie o da altre fonti di elettricità a bordo, il sistema elettrico dell'aereo va offline e perde completamente potenza, i motori dell'aereo a magnete continueranno a funzionare.
- I magneti sono affidabili. Come accennato in precedenza, sono una delle tecnologie di accensione più antiche del settore aerospaziale, utilizzata dai primi aeroplani. Sono testati nel tempo e affidabili
- I piloti potrebbero dover spegnere deliberatamente l'intero sistema elettrico dell'aereo in alcune circostanze drastiche, come in caso di incendio elettrico, per impedirne la diffusione. Utilizzando i magneti per il sistema di accensione, i motori continueranno a funzionare anche quando l'impianto elettrico è spento.
La parte successiva entra più in dettaglio sull'uso dei magneti nei sistemi di accensione.
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Riferimenti
Hemmings Motor News, "Sistemi di accensione magnetica"
Accademia Nazionale dei Magneti MagLab, “Magneto – 1832”
Giungla meccanica, “Cos’è il sistema di accensione Magneto?”
Monroe Aerospace, "Cos'è un magnete e perché gli aeroplani li usano?"
AOPA News, “Come funziona: Magneto”
Volare, “Come funziona: Magneto”
Elettrauto d'epoca (Australia), “Storia del magnete”
Wikipedia, “Magneto”
Wikipedia, “Accensione magnetica”
Buzz Pound, “Ford Magneti e tempistica modello T”
Modello T Ford Club of America, "Forma d'onda dell'uscita magnetica"
Modello T Ford Club of America, "Il sistema di accensione Ford Modello T e la fasatura delle scintille"
Rivista Gas Engine, "Valore della tensione magnetica: come utilizzare un voltmetro"
I vecchi telefoni di Vern, “Circuiti telefonici magnetici”
Pubblicazioni Marvel, “Max Eisenhardt e Magneto”