ELETTROMAGNETE

ELETTROMAGNETE

. È un apparecchio, azionato dalla corrente elettrica, capace di produrre campi magnetici anche assai intensi. Esso è costituito da una sbarra di ferro dolce o di ferro al cobalto detta nucleo, su cui è avvolto un rocchetto di filo di rame isolato, attraverso al quale si manda una corrente elettrica; agli estremi del nucleo sono localizzati i poli (v. magnetismo). L'esperienza di H. C. Orsted (1820) mostra come una corrente elettrica produca un campo magnetico (v. elettromagnetismo). Se si piega un conduttore a elica, cioè si forma un solenoide, si stabilisce un campo magnetico con le linee di forza, nell'interno, parallele all'asse del solenoide (se le spire sono abbastanza fitte).

Introducendo nel solenoide un nucleo di permeabilità magnetica elevata esso si magnetizza fortemente. L'induzione magnetica nel nucleo è data da

dove N è il numero delle spire del conduttore, L è la lunghezza del solenoide (in pratica il conduttore è avvolto in più strati), i è la corrente che circola negli avvolgimenti (espressa in unità elettromagnetiche) e μ è la permeabilità magnetica. Esprimendo l'intensità i in ampère, l'induzione magnetica sarà data da

Per un dato nucleo, l'induzione dipende soltanto dal prodotto Ni, che è perciò una grandezza caratteristica che serve a individuare l'elettromagnete: se la corrente elettrica è espressa in ampère essa si esprime in ampère-spire. Da notare poi che la formula sopra indicata non è più applicabile esattamente per gli strati più esterni, perché il nucleo non rappresenta, per questi, che una porzione dell'area racchiusa. Varî accorgimenti tendono a ottenere il campo più intenso possibile per un dato valore di Ni, massimo per un determinato peso del conduttore: al nucleo si dà forma tale da realizzare, per quanto è possibile, un circuito magnetico quasi chiuso, in modo che le linee di forza attraversino sempre un mezzo di elevata permeabilità (il nucleo), tranne che per il breve spazio tra i due poli, detto intraferro. Per quanto i campi magnetici più intensi correntemente utilizzati siano prodotti da elettromagneti, non si possono ottenere valori comunque grandi per il campo. Le ragioni principali di tale limitazione vanno ricercate nella saturazione magnetica del ferro e nel fatto che non si può aumentare molto il numero di ampère-spire perché facendo molte spire di filo sottile si ha un eccessivo riscaldamento per effetto joule (v. joule), e se si usa filo grosso occorrerebbe accrescere molto il numero di strati di avvolgimento con enorme aumento di peso.

Le ultime porzioni di nucleo verso l'intraferro, dove sono localizzati i poli, si dicono espansioni polari; il campo magnetico nell'intraferro è espresso, in funzione dei varî elementi dell'elettromagnete, dalla relazione

dove α è un coefficiente prossimo a 1; N, μ, L hanno i significati sopra indicati, l rappresenta la larghezza dell'intraferro, S la sezione del nucleo e s la sezione della faccia terminale delle espansioni polari. Conviene in pratica avvolgere il conduttore solo nelle porzioni di nucleo più prossime alle espansioni polari (ed è solo di questa porzione che si tien conto nella formula precedente). Nei tipi d'elettromagnete più moderni l'intraferro è regolabile perché le espansioni polari sono portate da coulisses a vite; inoltre ogni elettromagnete possiede una serie di espansioni polari intercambiabili di forma adatta alle varie esperienze.

Il primo elettromagnete fu costruito nel 1825 dal londinese W. Sturgeon. Nei tipi più moderni, si è cercato di smaltire il più possibile il calore svolto per effetto joule. Ciò si ottiene raffreddando gli avvolgimenti con circolazione d'acqua in appositi manicotti; nei tipi più moderni e potenti si ricorre per conduttore a un tubo di rame nel cui interno circola l'acqua: si fa in modo che il conduttore, pur essendo unico e continuo dal punto di vista elettrico, venga a costituire una serie di tubi alimentati in parallelo dall'acqua: si ottiene così una dispersione minima di corrente elettrica. Tale metodo di raffreddamento è stato applicato nel grande elettromagnete dell'Accademia di Francia ideato da A. Cotton e da G. Marboux (1929); che è il più potente del mondo (v. figura); in esso il conduttore è costituito da un tubo di rame purissimo a sezione quadrangolare di 15,5 mm. di lato, con una cavità circolare per l'acqua di 8,9 mm. di diametro. Il tipo più perfezionato d'elettromagnete da laboratorio è dovuto a P. Weiss dell'università di Strasburgo (1900), e con esso è possibile aver campi dell'ordine di 40.000 gauss (v.) in intraferri di 0, 1 cm. circa con espansioni polari del diametro terminale di qualche mm., con una forza magneto-motrice dell'ordine di 50.000 ampère-spire. Nell'elettromagnete di Parigi si ottengono campi dell'ordine di 70.000 gauss, cioè oltre 200.000 volte più intensi del campo magnetico terrestre in intraferri di 0,2 cm. con espansioni polari del diametro finale di 0,3 cm., e con 500.000 ampère-spire.

In alcune esperienze, in cui si può ricorrere a registrazione oggettiva dei fenomeni, è sufficiente ottenere campi intensissimi, ma per periodi cortissimi; così P. Kapitza è riuscito a ottenere campi dell'ordine di 300.000 gauss in solenoidi percorsi, per 1/100 di secondo, da correnti di grandissima intensità; in tal caso il calore svolto per effetto joule è trascurabile dato il tempo minimo in cui si manteneva la corrente.

Tutte le macchine elettriche (dinamo, alternatori, ecc.) hanno come elettromagneti parti essenziali. Numerosissime sono le utilizzazioni dirette degli elettromagneti sia nel campo pratico-industriale (telefoni, telegrafi, gru per la cernita dei rottami di ferro, ecc.) sia nella scienza pura.