I sistemi elettrici di potenza si basano in larga misura su due macchine strettamente correlate che, in apparenza, svolgono compiti opposti. Un generatore converte la rotazione meccanica, prodotta da una turbina messa in rotazione da vapore, acqua o vento, in corrente elettrica. Un motore elettrico fa l'opposto, convertendo la corrente elettrica in rotazione meccanica capace di azionare una ruota, una ventola o un compressore. Entrambe le macchine si basano in realtà essenzialmente sullo stesso principio elettromagnetico di fondo, semplicemente applicato in direzioni opposte.
Un generatore usa il movimento all'interno di un campo magnetico per indurre corrente
Un generatore funziona facendo ruotare una bobina di filo all'interno di un campo magnetico, o in modo equivalente facendo ruotare dei magneti intorno a una bobina fissa, in modo che il campo magnetico che attraversa la bobina cambi continuamente man mano che la rotazione procede. Quel campo magnetico variabile induce una corrente elettrica nella bobina, una diretta conseguenza dell'induzione elettromagnetica: ogni volta che il campo magnetico che attraversa un conduttore cambia, in quel conduttore viene indotta una corrente. L'intera funzione di un generatore si riduce a forzare meccanicamente proprio questo tipo di cambiamento continuo, convertendo l'energia meccanica che guida la rotazione nell'energia elettrica trasportata dalla corrente indotta.
Un motore applica la stessa fisica in senso opposto: la corrente produce una forza rotazionale
Un motore sfrutta un effetto elettromagnetico strettamente correlato che agisce nella direzione opposta: quando una corrente elettrica attraversa un conduttore posto all'interno di un campo magnetico, quel conduttore subisce una forza fisica. Disponendo bobine percorse da corrente all'interno di un campo magnetico in modo che questa forza spinga costantemente la bobina intorno a un asse centrale, un motore converte direttamente l'energia elettrica della corrente in ingresso in energia meccanica rotazionale. Poiché generatori e motori condividono gran parte del loro meccanismo fisico di fondo, molte macchine elettriche sono in realtà costruite per poter essere usate indifferentemente come l'uno o come l'altro, a seconda che l'energia fornita in ingresso sia meccanica o elettrica.
Cosa non sappiamo ancora con certezza
I principi elettromagnetici di base alla base di generatori e motori sono definiti con precisione, si tratta di fisica ed elettrotecnica ottocentesca e novecentesca estremamente consolidata, confermata su un'enorme varietà di macchine pratiche costruite esattamente su questa base. Ciò che resta più genuinamente un'area attiva di ricerca ingegneristica applicata è progettare motori e generatori capaci di ricavare più potenza utile da una data dimensione e peso della macchina, sprecando meno energia sotto forma di calore, una sfida persistente data l'inevitabile resistenza elettrica e l'attrito meccanico dei materiali reali — gli ingegneri continuano a sviluppare materiali migliori, nuovi design dei magneti ed elettronica di controllo per spingere ulteriormente questi limiti di efficienza, senza che nessuna macchina reale raggiunga mai una conversione perfetta e priva di perdite.
Questo argomento fa parte di Sistemi di Potenza e Macchine Elettriche, uno degli otto argomenti di Ingegneria Elettrica, uno dei quattro ambiti di Ingegneria, una delle diciassette materie su cui l'app può interrogarti.