Generatore elettrico

Un generatore elettrico trasforma il movimento meccanico in corrente elettrica facendo scorrere un magnete e una bobina di filo l'uno davanti all'altra. Michael Faraday ne scoprì il principio nel 1831, e quasi tutta l'elettricità consumata oggi viene ancora da macchine basate su di esso.

Che cos’è

Un generatore trasforma in corrente elettrica il lavoro meccanico di una manovella, di una ruota idraulica, di una macchina a vapore o di una turbina. Servono un magnete, una bobina di filo di rame e un modo per far passare l’uno davanti all’altra.

Le pile costano care e si esauriscono; i generatori producevano elettricità in grande quantità dal carbone o da una caduta d’acqua. Centrali, alternatori d’auto, dinamo da bicicletta e turbine eoliche funzionano così.

Come funziona

L’anello a induzione di Faraday: l’ago si muoveva solo nell’istante in cui la pila veniva collegata o scollegata.

Il principio è l’induzione elettromagnetica: quando il flusso magnetico attraverso una bobina (la quantità di campo che la attraversa) cambia, ai suoi capi compare una tensione. Se il flusso resta costante, non c’è tensione. Più il flusso cambia in fretta e più spire ha la bobina, più alta è la tensione.

Nella macchina della tavola, costruita da Hippolyte Pixii nel 1832, una manovella fa girare un albero verticale tramite due ingranaggi conici. L’albero porta un magnete permanente a ferro di cavallo i cui poli passano appena sotto due bobine fisse su nuclei di ferro. Quando un polo nord arriva sotto una bobina, il flusso che la attraversa aumenta e la corrente scorre in un verso. Quando il polo si allontana, il flusso diminuisce e la corrente si inverte. Il polo sud ripete poi il ciclo con il campo rovesciato, così la macchina, da sola, produce corrente alternata.

Pixii aggiunse un commutatore, su suggerimento di André-Marie Ampère: un interruttore sull’albero che scambia le due uscite a ogni mezzo giro, proprio quando la corrente cambia verso. Ne esce una corrente continua pulsante, capace di caricare accumulatori o di scomporre l’acqua.

Il disco di Faraday del 1831 dava una debole corrente continua senza interruzioni.

Appena la corrente circola, le bobine diventano magneti e si oppongono al movimento: la manovella si fa più dura quando si collega una lampada. L’energia elettrica ottenuta è il lavoro della mano o del motore, meno le perdite per attrito e calore.

Nell’Ottocento i magneti permanenti erano deboli, e le grandi macchine usavano elettromagneti. In una dinamo autoeccitata li alimenta una parte della corrente prodotta dalla macchina stessa. Il magnetismo residuo del ferro fa nascere una piccola corrente, che rafforza il campo, che aumenta la corrente, finché la tensione si stabilizza a un livello fissato dalla velocità e dalla saturazione del ferro. Un generatore moderno di centrale fa ruotare un elettromagnete dentro avvolgimenti fissi; con due poli gira a 3.000 giri al minuto per dare 50 hertz, o a 3.600 per 60 hertz.

Come costruirlo

Un piccolo alternatore a manovella può accendere un LED o la lampadina di una torcia.

Costruire il rotore. Ritagliare un disco di compensato o di legno duro di circa 15 cm di diametro e incollare su una faccia otto magneti piatti a disco (in ferrite o al neodimio), ben distanziati vicino al bordo, in modo che le facce rivolte verso l’esterno si alternino: nord, sud, nord, sud. Legarli con lo spago, perché un magnete fissato male vola via ad alta velocità.

Avvolgere le bobine. Avvolgere otto bobine piatte di filo di rame smaltato da 0,3 a 0,5 mm, qualche centinaio di spire ciascuna, tutte nello stesso senso, su una sagoma grande circa come un magnete.

Montare lo statore. Fissare le bobine su una tavola parallela al rotore, una di fronte a ciascun magnete, a pochi millimetri di distanza. Due bobine vicine hanno sempre davanti poli opposti: collegarle quindi in serie invertendo una bobina su due, così le tensioni si sommano.

Moltiplicare la velocità. Una cinghia tra una puleggia grande sulla manovella e una piccola sull’albero del rotore moltiplica la velocità per quattro o cinque.

Raddrizzare e provare. L’uscita è in corrente alternata. Quattro diodi a ponte la trasformano in corrente continua pulsante. Accendere un LED dal ponte attraverso una resistenza da un kiloohm e mezzo watt, che mantiene la corrente sotto circa 20 milliampere finché l’uscita resta sotto circa 20 volt; controllare la tensione con un tester prima di girare forte la manovella. Per caricare una batteria serve un regolatore di carica adatto al suo tipo, non bastano i diodi.

Senza magneti comprati, si possono magnetizzare barre d’acciaio dentro una bobina alimentata per qualche secondo da una batteria, con una lampadina d’auto in serie per limitare la corrente. Una dinamo autoeccitata, una volta avviata dal magnetismo residuo, non ha bisogno di magneti permanenti.

Sicurezza. Le parti rotanti possono afferrare dita, capelli e abiti larghi: proteggere la cinghia e il rotore. I magneti al neodimio si attraggono così forte da pizzicare la pelle e frantumarsi; tenerli lontani dai portatori di pacemaker. La tensione cresce con la velocità e sulle macchine più grandi raggiunge livelli pericolosi. Non collegare mai un generatore artigianale o portatile all’impianto elettrico di un edificio o alla rete: la corrente reimmessa nelle linee può uccidere chi ci lavora, e solo un elettricista che installa un commutatore di rete adeguato può fare questo collegamento.

Storia ed evoluzione

Nel 1820 Hans Christian Ørsted mostrò che una corrente elettrica devia l’ago di una bussola. Michael Faraday ne dedusse che il magnetismo doveva poter produrre a sua volta elettricità. Il 29 agosto 1831, alla Royal Institution di Londra, avvolse due bobine su un anello di ferro e vide l’ago di un galvanometro scattare ogni volta che collegava o scollegava una pila sull’altra bobina. In autunno fece girare un disco di rame tra i poli di un magnete e ne ricavò una corrente continua. Presentò i risultati alla Royal Society il 24 novembre 1831.

Entro un anno Pixii, costruttore di strumenti a Parigi, realizzò la macchina della tavola. Nel 1866 e nel 1867 Samuel Alfred Varley, Werner Siemens e Charles Wheatstone annunciarono ciascuno la dinamo autoeccitata, e Siemens diede il nome al principio «dinamoelettrico». Intorno al 1870 Zénobe Gramme costruì un indotto ad anello che dava una corrente regolare.

L’anello di Gramme distribuiva l’avvolgimento tutto intorno all’indotto, così la corrente pulsava appena.

Il 4 settembre 1882 la centrale di Thomas Edison in Pearl Street, a New York, cominciò a fornire corrente continua a 110 volt con sei dinamo «Jumbo» azionate a vapore. La corrente alternata prevalse poi sulle lunghe distanze, perché i trasformatori ne alzano la tensione; nel 1891 una linea trifase portò energia per 175 km, da Lauffen am Neckar a Francoforte. Charles Parsons accoppiò una dinamo a una turbina a vapore nel 1884, e da allora i generatori azionati da turbine alimentano la maggior parte delle grandi centrali. Nel 1975 entrò in servizio alla diga di Grand Coulee il primo di tre gruppi da 600 MW, con uno statore di 22 metri di diametro.