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Il mistero del campo magnetico rotante: chi ha scoperto questo sorprendente fenomeno?
Un campo magnetico rotante (RMF) è un campo magnetico generato da un sistema di bobine disposte simmetricamente, alimentate da corrente multifase. Il campo magnetico rotante può essere generato da una corrente multifase (due o più) oppure, nel caso di una corrente monofase, da due bobine progettate con una differenza di fase. Questo fenomeno ha un'ampia gamma di applicazioni, soprattutto nel campo delle macchine elettriche, come motori a induzione, generatori e regolatori a induzione.
Nel 1824, il fisico francese François Arago propose per primo l'esistenza di un campo magnetico rotante in un esperimento che utilizzava un disco di rame rotante e un ago, che chiamò "rotazione di Arago".
La storia dei campi magnetici rotanti risale al XIX secolo, quando diversi scienziati studiarono il fenomeno. Gli sperimentatori britannici Charles Babbage e John Herschel scoprirono che potevano far ruotare la lastra di rame di Arago semplicemente facendo ruotare un magnete a ferro di cavallo sotto di essa. Successivamente, lo scienziato britannico Michael Faraday attribuì questo fenomeno all'induzione elettromagnetica.
Nel 1879, il fisico britannico Walter Bailey realizzò un primitivo motore a induzione sostituendo il magnete a ferro di cavallo con quattro elettromagneti e azionando manualmente un interruttore. Questa innovazione pose le basi per le successive ricerche sui campi magnetici rotanti.
Il concetto di campo magnetico rotante in un motore a corrente alternata fu ampiamente esplorato negli anni '80 del Settecento dal fisico e ingegnere elettrico italiano Galileo Ferraris e dall'inventore serbo-americano Nikola Tesla. Nel 1885 Ferraris realizzò un modello dimostrativo didattico, anche se non ne descrisse pubblicamente il principio fino al 1888. Tesla costruì un prototipo di successo nel 1887 e ottenne un brevetto negli Stati Uniti nel 1888.
Basandoci sul principio del campo magnetico rotante di Ferraris, nel 1887 Friedrich August Hazelwand sviluppò il primo generatore trifase a corrente alternata. Successivamente, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky sviluppò la prima fonte di energia trifase utilizzando il generatore Hazelwand e, nel 1891, costruì la prima centrale elettrica trifase al mondo a Francoforte, in Germania.
Come funziona un campo magnetico rotante
I campi magnetici rotanti sono il principio fondamentale alla base del funzionamento delle macchine a induzione. Un motore a induzione è costituito da uno statore e un rotore. Nello statore, le bobine fisse sono disposte in un modo specifico in modo che il campo magnetico generato dalla corrente bifase ruoti a una velocità angolare determinata dalla frequenza della corrente alternata. Il rotore è costituito da bobine avvolte lungo fessure, che sono cortocircuitate e nelle quali viene indotta corrente dal flusso magnetico variabile prodotto dallo statore.
Sebbene per produrre un campo magnetico rotante simmetrico siano necessarie solo due bobine sfasate di 90 gradi, in pratica vengono quasi sempre utilizzate tre serie di bobine per ospitare un sistema di corrente sinusoidale alternata trifase simmetrica. La differenza di fase tra queste tre serie di bobine è di 120 gradi. In questo caso, il campo magnetico viene trattato come una funzione lineare e vengono applicate tre onde sinusoidali con una differenza di fase di 120 gradi per formare un vettore rotante con ampiezza costante.Per quanto riguarda il rotore, il flusso magnetico inizialmente generato reagirà ai poli magnetici dello statore, facendo sì che il rotore ruoti in una determinata direzione.
In questo campo magnetico rotante, il rotore continuerà a mantenere un campo magnetico costante e si muoverà in sincronia con il campo magnetico dello statore. Quando un magnete permanente viene posizionato in questo campo magnetico, mantiene l'allineamento con il campo esterno. Questo effetto è stato utilizzato in origine nei motori a corrente alternata.
Applicazioni e sviluppo moderni
Le applicazioni dei campi magnetici rotanti non sono più limitate ai motori elettrici. Gli attuali motori a induzione hanno spesso rotori in cortocircuito anziché magneti, il che consente al rotore di seguire il campo magnetico rotante di uno statore multi-avvolgimento. Le bobine in cortocircuito sul rotore di questo tipo di motore creano correnti parassite nel campo magnetico rotante dello statore, che a loro volta generano una forza di Lorentz per azionare il rotore. Questo design rivoluzionario rende i moderni motori a campo magnetico rotante più efficienti e affidabili.
Sebbene i principi dei campi magnetici rotanti siano senza tempo e la tecnologia continui a progredire, gli scopritori e i loro contributi a questo campo sono ancora oggetto di discussioni e controversie. Ripensando a questa storia ricca di innovazione e duro lavoro, possiamo definire con chiarezza chi è stato il primo scopritore a svelare il mistero del campo magnetico rotante?
