Realizzazione pratica della dinamo
Materiali utilizzati
Disco di rame da 160 mm di diametro con foro centrale da 10 mm, utilizzato come rotore della dinamo per la generazione della forza elettromotrice.
Due magneti permanenti al neodimio N52 da 20 mm di diametro, impiegati per generare il campo magnetico iniziale necessario all'induzione.
Due elettromagneti artigianali costituiti da un nucleo cilindrico in ferro dolce da 10 mm di diametro e 20 mm di lunghezza, avvolto con filo di rame smaltato da 1 mm e rivestito con nastro carta.
Due cuscinetti a sfera con foro interno da 10 mm, utilizzati per garantire la rotazione stabile e ridurre gli attriti dell'albero.
Barra filettata M10 lunga 200 mm, completa di dadi e rondelle, impiegata come asse di rotazione e per il serraggio dei componenti meccanici.
Base in legno verniciata e supporti realizzati artigianalmente, assemblati mediante sei angolari metallici per garantire rigidità e corretto allineamento.
Fili in rame utilizzati per collegare gli elettromagneti, il disco e gli strumenti di misura durante le prove sperimentali.
Manovella costruita artigianalmente in legno a forma di "L", composta da due tavole unite tra loro, utilizzata per imprimere manualmente il moto rotatorio al disco.
Scheda Arduino impiegata per acquisire i dati sperimentali e monitorare il comportamento della dinamo durante le prove di funzionamento.
Sensore magnetometrico utilizzato per misurare l'intensità del campo magnetico generato dagli elettromagneti e analizzarne l'evoluzione durante il funzionamento.
Galleria del processo costruttivo
Ogni fase del progetto è stata documentata fotograficamente. Le immagini seguenti mostrano il percorso completo dalla progettazione al collaudo finale.
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Fase 1
Studio e progettazione
La fase iniziale ha richiesto la progettazione della base di legno.
Fase 2
Verniciatura e assemblaggio della struttura meccanica
Fase 3
Installazione del sistema con Arduino
I magneti permanenti al neodimio sono stati posizionati con la polarità corretta attorno al disco conduttore. Il sensore HMC5883-L magnetometro a tre assi, utilizzato per monitorare il campo magnetico prodotto dall'elettro magnete.
Fase 4
Cablaggio del circuito di eccitazione con tester
Il collegamento tra il centro del disco e l'esterno è stato fatto con dei fili elettrici collegati in serie al tester. Particolare attenzione è stata dedicata alla realizzazione dei contatti striscianti sul collettore per raccogliere la corrente generata senza perdite eccessive, attraverso delle spazzole in grafite.
Fase 5
Costruzione elettromagneti
Gli elettromagneti sono stati realizzati con un nucleo di ferro dolce con diametro 1 cm e lunghezza 2 cm; gli avvolgimento con rame spesso 1mm e smaltato per consentire la corretta generazione del campo magnetico.
Principi fisici alla base del funzionamento
Forza di Lorentz su un conduttore
La forza che agisce su una carica \(q\) in moto con velocità \(\vec{v}\) in un campo \(\vec{B}\). Per un conduttore percorso da corrente \(I\) di lunghezza \(L\), la forza risultante determina la conversione di energia meccanica in energia elettrica nel generatore.
La f.e.m.
Disco di Faraday
Inventato da Michael Faraday nel 1831, il disco di Faraday è il primo generatore elettrico della storia. È costituito da un disco conduttore che ruota in un campo magnetico uniforme: la forza elettromotrice si genera tra il centro e il bordo del disco. Il principio di funzionamento è diretto: il movimento del conduttore nel campo magnetico produce una tensione continua, senza bisogno di commutatore. Il disco di Faraday costituisce il punto di partenza concettuale da cui si sviluppa tutta la teoria dei generatori in corrente continua.
Dinamo ad Autoeccitazione
A differenza del disco di Faraday, che necessita di una sorgente esterna per generare il campo magnetico, la dinamo ad autoeccitazione è autonoma: l'avvolgimento di campo è collegato in derivazione all'armatura e si alimenta dalla tensione generata dalla macchina stessa. Il vantaggio principale è l'eliminazione della sorgente di eccitazione esterna. Il punto di funzionamento si stabilizza automaticamente all'intersezione tra la caratteristica a vuoto e la retta di campo, consentendo una regolazione della tensione mediante la sola resistenza variabile di campo.
Risultati e riflessioni finali
Cosa ha funzionato
- La dinamo ha generato una tensione di 20mV misurata con un multimetro
- I collegamenti effetuati hanno retto le tensioni meccaniche ed elettriche
- Il disco di faraday ha funzionato
Problemi riscontrati
- Reggime di autoeccitazione non raggiunto per i vari attriti
- Disco dal diametro eccessivo e con un'alta resistenza interna
- Vibrazioni meccaniche iniziali dovute al disallineamento dei cuscinetti
Miglioramenti futuri
- Utilizzo di un disco di diametro inferiore
- Utilizzo di cuscinetti con un minore coefficiente d'attrito
- Riduzione del diametro della barra filettata