Nikola Tesla

La sua influenza si estende ben oltre l'ingegneria elettrica e continua a ispirare gli innovatori in vari campi tecnici e scientifici fino ad oggi. Tesla, spesso definito "l'uomo che inventò il futuro", rimane una figura chiave nella storia della scienza e della tecnologia e un'ispirazione per tutti coloro che sono interessati ai misteri dell'elettromagnetismo e delle sue applicazioni.

Nikola Tesla era un visionario le cui invenzioni e idee erano molto avanti rispetto al loro tempo. Il suo lavoro ha influenzato non solo l'elettrotecnica, ma anche la radiotecnica, la robotica e le tecnologie per l'energia rinnovabile, e la sua eredità continua a vivere nelle numerose tecnologie che ha ispirato.

Invenzioni di Nikola Tesla

Nikola Tesla ha lasciato un'eredità impressionante di invenzioni che ancora oggi hanno un'influenza significativa sul nostro mondo moderno. La sua creatività e innovazione hanno portato allo sviluppo di diverse tecnologie chiave che vengono utilizzate in vari campi. La sua invenzione più importante è il sistema a corrente alternata, che comprende il generatore di corrente alternata, i trasformatori necessari e i motori a corrente alternata. Le sue invenzioni più importanti includono:

Sistemi a corrente alternata: Nikola Tesla è forse più noto per il suo lavoro sui sistemi a corrente alternata (AC). Questi includono il generatore di corrente alternata, i trasformatori e il motore a corrente alternata. Queste invenzioni hanno costituito la base dell'attuale rete elettrica e della fornitura di elettricità. Per la prima volta fu possibile una trasmissione efficiente dell'elettricità su lunghe distanze.

La bobina di Tesla: Una delle invenzioni più notevoli di Nikola Tesla è la bobina di Tesla (vedi Figura 2), un trasformatore ad alta frequenza in grado di generare tensioni molto elevate. Queste bobine sono utilizzate oggi in vari settori, tra cui la tecnologia radio e l'elettronica di consumo. Inoltre, dimostrano in modo impressionante i principi della trasmissione di energia senza fili.

Tecnologia radio: Tesla ha dato un contributo significativo allo sviluppo della tecnologia di comunicazione wireless. I suoi esperimenti e le sue teorie hanno aperto la strada al successivo sviluppo della radio. Sebbene Guglielmo Marconi sia noto per aver inventato la radio, fu Nikola Tesla a ricercare i principi di base della trasmissione di segnali wireless.

Barche telecomandate: Tesla sperimentò il controllo remoto senza fili e lo dimostrò con una barca telecomandata, che è considerata uno dei primi esempi di tecnologia telecomandata. Questa innovazione gettò le basi della moderna robotica e della tecnologia di controllo a distanza.

La teoria dinamica del campo gravitazionale: sebbene meno noto, Tesla sviluppò anche una propria teoria del campo gravitazionale, che differiva dalla teoria della relatività di Einstein. Le opinioni di Nikola Tesla in questo campo sono rimaste in gran parte speculative e non sono state ampiamente riconosciute dalla comunità scientifica.

Concetti per le energie rinnovabili: Tesla pensò anche alle fonti di energia rinnovabili e sperimentò concetti per l'utilizzo dell'energia solare ed eolica, il che sottolinea la sua visione e comprensione delle tecnologie energetiche future.

Due esempi particolari: il motore a induzione e il trasformatore di Tesla.

Il motore a induzione

L'invenzione del motore a induzione da parte di Nikola Tesla alla fine del XIX secolo ha rappresentato uno sviluppo particolarmente significativo nella storia dell'ingegneria elettrica. Il motore a induzione è stato uno dei primi metodi efficienti di conversione dell'energia elettrica in energia meccanica.

Il motore a induzione è costituito da una parte stazionaria, lo statore, e da una parte rotante, il rotore. Lo statore genera un campo magnetico rotante alimentato da corrente alternata. Questo campo magnetico induce quindi una corrente nel rotore, che genera un movimento rotatorio basato sul principio dell'induzione elettromagnetica. Il motore a induzione di Tesla era particolarmente rivoluzionario perché non richiedeva spazzole o collegamenti elettrici diretti al rotore, rendendolo più affidabile e con una minore manutenzione rispetto ai motori precedenti. Questo aspetto era particolarmente importante per le applicazioni industriali, in quanto il motore poteva funzionare in condizioni più difficili e per periodi di tempo più lunghi. L'introduzione del motore a induzione ha contribuito in modo significativo all'accettazione dei sistemi a corrente alternata. La sua efficienza e affidabilità lo resero ideale per numerose applicazioni, dai piccoli elettrodomestici alle grandi macchine industriali.

Il trasformatore di Tesla

Il trasformatore di Tesla accoppiato in aria è costituito da una bobina di Tesla come circuito secondario, che contiene un toroide come capacità (vedi Figura 2) ed è accoppiato a un circuito primario ad alta capacità con uno spinterometro. Questo dispositivo è noto per la sua capacità di generare tensioni molto elevate a basse correnti, che possono portare a spettacolari effetti visivi come lunghe scintille elettriche (Figura 3).

Il principio di base del trasformatore di Tesla si basa sulla risonanza. Il trasformatore è tipicamente composto da due parti: un circuito primario e uno secondario. Ciascuno di questi circuiti forma un circuito risonante LC (induttanza L e capacità C).

Il circuito primario

Il circuito primario contiene uno spinterometro, un dispositivo che genera una scintilla e quindi una rottura elettrica quando viene raggiunta una certa tensione. Questo spinterometro serve come una sorta di interruttore che chiude periodicamente il circuito primario (per la durata della scintilla) e poi lo interrompe di nuovo. Il circuito primario oscilla quindi alla sua frequenza naturale (in genere 50-500 kHz) per il breve momento della scintillazione.

Il circuito secondario

Il circuito secondario è progettato in modo da avere una frequenza di risonanza naturale che corrisponde il più possibile a quella del circuito primario. Il campo magnetico oscillante del circuito primario viene trasferito al circuito secondario attraverso l'accoppiamento in aria. Se le frequenze dei due circuiti coincidono (caso di risonanza), l'energia viene trasferita in modo efficiente dal circuito primario a quello secondario. Il circuito secondario contiene una bobina di Tesla con un numero enorme di avvolgimenti. Ciò comporta tensioni estremamente elevate nel circuito secondario in caso di risonanza. Queste tensioni elevate possono generare scariche elettriche nell'aria circostante, visibili come lunghe scintille danzanti (Figure 2 e 3).

L'unità fisica Tesla per la densità di flusso magnetico

L'unità fisica Tesla (T) è una misura della densità di flusso magnetico B in elettrodinamica. Prende il nome da Nikola Tesla in riconoscimento dei suoi contributi al campo dell'elettromagnetismo. Un Tesla definisce la forza di un campo magnetico che penetra in un'area di un metro quadrato \(A\) con un flusso magnetico \(Φ\) di un Weber (Wb). Formalmente, un Tesla corrisponde a un Weber per metro quadrato (1 T = 1 Wb/m²):

\(B = Φ/A\)

L'unità fisica Tesla non è solo di grande importanza in fisica, ma anche nelle applicazioni tecniche. Viene utilizzata per misurare l'intensità di campi magnetici come quelli presenti nella risonanza magnetica (MRI) in medicina, negli acceleratori di particelle nella ricerca e in molti altri dispositivi elettromagnetici.

Il tesla è un'unità di misura relativamente grande; i campi magnetici della vita quotidiana, come il campo magnetico terrestre, sono solitamente misurati in microtesla (µT). Per fare un paragone: il campo magnetico terrestre ha un'intensità di circa 50 µT, mentre le apparecchiature mediche per la risonanza magnetica lavorano spesso con campi compresi tra 1,5 e 3 T. Tuttavia, non è facile generare campi magnetici molto elevati. Le bobine implodenti consentono di comprimere fortemente le linee del campo magnetico per un breve periodo di tempo. Il record è stato raggiunto nel 2018 con una speciale costruzione implodente costituita da una bobina di rame solido che ha erogato 1200 tesla per pochi millisecondi. (Fonte: D. Nakamura, A. Ikeda, H. Sawabe, Y. H. Matsuda e S. Takeyama, Review of Scientific Instruments 89, 095106 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5044557).

È ancora più impressionante il fatto che i magneti permanenti al neodimio di grandi dimensioni (come quelli che si possono acquistare su supermagnete.ch) abbiano già una rimanenza di oltre 1 Tesla e possano resistere a forze di distacco di diverse centinaia di kg.