Transformarea adiabatică

Numim transformare adiabatică transformarea pe parcursul căreia numărul de moli nu se modifică şi sistemul nu schimbă energie sub formă de căldură cu mediul Transferul de energie sub formă de căldură poate fi limitat prin izolare termică a sistemului faţă de mediul său.Numim perete adiabatic un perete care nu permite transferul de energie sub formă de căldură.Un perete gros, confecţionat dintr−un material slab conductor termic şi care reflectă radiaţia termică este o bună aproximaţie de perete adiabatic. Un termos este o incintă aproape adiabatică.Izolarea termică nu este niciodată perfectă, însă transferul de energie sub formă de căldură durează − ceaiul fierbinte dintr−un termos ajunge în echilibru termic cu mediul său după mai multe ore. Cantitatea de căldură schimbată cu mediul într−o singură secundă este neglijabilă. Oricare proces rapid din interiorul termosului are loc aproape fără schimb de căldură! Procesele rapide sunt aproape adiabatice. Datorită faptului că exponentul adiabatic este supraunitar (C_p/C_V), la o variaţie dată a volumului corespunde o variaţie a presiunii mai mare decât în cazul unei transformări izoterme. În coordonate p−V, reprezentarea grafică a unei transformări adiabatice nu mai este o hiperbolă (figura 7−1).

  .

Arme Nulceare

Dicționarele definesc arma nucleară ca un dispozitiv ce eliberează într-o manieră explozivă energia nucleară produsă de o reacție în lanț de fisiune, sau fisiune și fuziune. 

Arma nucleară face parte din categoria armelor de distrugere în masă destinate uciderii unui mare număr de oameni și/sau distrugerii structurilor construite de om, sau biosferei în general.

Prima armă nucleară cu fisiune a eliberat o cantitate de energie echivalentă cu cea rezultată din explozia a 20.000 tone de TNT (trinitrotoluen), în timp ce prima armă termonucleară (cu fisiune și fuziune) a eliberat o energie echivalentă cu 10.000.000 tone de TNT. La nivelul anului 2012 pe plan mondial existau circa 19.000 de focoase nucleare din care 4.400 sunt menținute în stare operațională, gata oricând pentru a fi utilizate. În prezent există două tipuri de arme nucleare: cele bazate exclusiv pe reacția de fisiune nucleară și cele care utilizează fisiunea nucleară pentru amorsarea reacției de fuziune nucleară.

Armele bazate pe fisiunea nucleară constau dintr-o cantitate de uraniu îmbogățit care formează o masă supra-critică în care se dezvoltă exponențial reacția în lanț. Masa supra-critică se realizează fie prin implantarea unei piese din material fisionabil în masa subcritică (metoda proiectilului) fie prin comprimarea (cu explozivi chimici) unei sfere de material fisionabil până se atinge masa supra-critică (metoda imploziei).

Arma nucleară cu fuziune (arma termonucleară, bomba cu Hidrogen) folosește energia rezultată din fisiune pentru a comprima și încălzi deuteriul și tritiul până aceștia fuzionează.

Există și arme nucleare cu destinații speciale precum arma cu neutroni sau arma cu contaminare radioactivă. Arma cu neutroni este o armă termonucleară construită special pentru a produce un flux mare de neutroni ce produce multe decese dar nu produce contaminare radioactivă și nu afectează construcțiile. Arma cu contaminare este o armă cu fisiune învelită cu un material (cobalt, aur) care produce o contaminare radioactivă extrem de puternică.

Din punct de vedere al strategiei militare armele nucleare se împart în : arme strategice (care vizează țări sau populații mari) sau tactice (utilizate numai pe câmpul de luptă). Armele nucleare strategice sunt transportate la țintă cu avioane sau rachete. Armele tactice sunt transportate cu rachete, artilerie, torpile, etc.

În perioada 1960-1980 SUA și URSS au folosit dispozitive explozive bazate pe energie nucleară pentru scopuri comerciale (explozii nucleare pașnice). Tratatul de eliminare a testelor nucleare din 1966 a interzis toate exploziile nucleare, indiferent de scopul lor. 

Efecte

Explozia nucleară are efecte imediate și întârziate. Unda de șoc, radiația termică, radiația ionizantă promptă produc distrugeri mari în câteva secunde sau minute de la detonare. Efectele întârziate precum căderile radioactive acționează pe perioade mari de timp, de la ore la ani. 

• Unda de șoc produce modificarea bruscă a presiunii aerului și vânturi puternice. Construcțiile mari sunt distruse de modificarea presiunii aerului în timp ce vânturile puternice distrug vegetația și omoară oamenii. Dacă explozia are loc la suprafața sau în apropierea solului se produce un crater din care materialul este ridicat în atmosferă, de unde revine sub forma de depuneri radioactive.

• Circa 35% din energia exploziei este sub forma de radiație luminoasă și termică (căldură). Radiația luminoasă produce orbirea prin arderea retinei. Radiația termică produce arsuri ființelor vii și incendierea materialelor combustibile.

• Efectele radiațiilor nucleare directe sunt în general mai mici decât cele ale undei de șoc sau radiației termice. La armele cu neutroni spre exemplu efectul radiației directe (neutroni) este cel mai puternic. Iradierea directă cu radiații nucleare duce la deces sau în cazul dozelor mai mici la boala de iradiere.

• Particulele radioactive ridicate în atmosferă (norul în formă de ciupercă) revin pe pământ în apropierea locului exploziei. Ele nu produc multe decese deoarece afectează zona unde oamenii au fost deja uciși de celelalte efecte. În funcție de condițiile meteorologice, norul radioactiv poate fi deplasat la distanțe mari iar depunerile pe sol pot afecta zonele mai îndepărtate.

• Undele electromagnetice produse de explozie rezultă prin absorbția radiației gama în aer și în sol. Pulsul de unde electromagnetice generează câmpuri electrice de mii de volți pe durate extrem de scurte. Consecințele privesc în special comunicațiile și rețelele electrice.

Istoric

Istoria armei nucleare începe cu scrisoarea trimisă de Albert Einstein la 2 august 1939 președintelui Franklin D. Roosevelt. La scurt timp guvernul SUA a lansat proiectul de realizare a armei nucleare cunoscut sub numele de "Proiectul Manhattan”.

Deoarece pentru realizarea armei nucleare era nevoie de uraniu îmbogățit a fost construită la Oak Ridge – Tennessee o instalație de îmbogățire prin procedeul de difuzie gazoasă, pus la punct de Harold Urey, iar la Universitatea California Ernest Lawrence a pus la punct procedeul separării magnetice a izotopilor uraniului. Pe parcursul a șase ani, 1939-1945 în proiectul Manhattan au fost cheltuiți peste 2 miliarde de dolari. La proiectul Manhattan au participat a pleiadă de savanți conduși de Robert Oppenheimer: David Bohm, Leo Szilard, Eugene Wigner, Otto Frisch, Rudolf Peierls, Felix Bloch, Niels Bohr, Emilio Segre, Enrico Fermi, Klaus Fuchs, Edward Teller. Prima armă nucleară a fost testată la 16 iulie 1945 în deșertul New Mexico.


Armele nucleare s-au folosit împotriva oamenilor doar de două ori, și anume în anul 1945 în jurul încheierii celui de-al doilea război mondial, când SUA au aruncat câte o singură bombă atomică cu fisiune asupra orașelor japoneze Hiroshima și Nagasaki. Primul eveniment a avut loc în dimineața zilei de 6 august 1945, când Statele Unite ale Americii au aruncat un dispozitiv tip pistol, cu uraniu, cu codul „Little Boy” (Băiețelul), asupra orașului Hiroșhima. Al doilea eveniment a avut loc după trei zile, la 9 august 1945, când un dispozitiv tip implozie, cu plutoniu, cu codul „Fat Man” (Grasul), a fost aruncat asupra orașului Nagasaki. Norul, sau „ciuperca” acestei bombe s-a înălțat mai mult de 18 kilometri deasupra hipocentrului exploziei.

Folosirea acestor 2 bombe, din care a rezultat moartea imediată a aproximativ 100.000 – 200.000 de oameni (majoritatea civili) și chiar și mai mulți cu trecerea timpului, a fost și rămâne controversată. Criticii spun că a fost un act de omucidere în masă inutil, în timp ce alții sunt de părere că de fapt s-a limitat numărul de victime de ambele părți prin grăbirea sfârșitului războiului și evitarea unor lupte sângeroase pe teritoriul Japoniei; de asemenea se aduce argumentul reducerii înaintării sovietice (și comuniste) în Asia drept una din consecințele acestor bombe.Dezarmarea și neproliferarea

Tratatul de neproliferare nucleară are ca obiectiv prevenirea răspândirii armelor nucleare și a tehnologiilor de fabricare a acestora, promovarea cooperării în domeniul utilizării pașnice a energiei nucleare și în final dezarmarea nucleară.

Deschis pentru semnare în 1968 tratatul a intrat vigoare în 1970 și în prezent este semnat de 190 de state inclusiv cele 5 state deținătoare în mod oficial de arme nucleare. Pentru asigurarea neproliferării și întărirea încrederii între statele semnatare tratatul stabilește un sistem de garanții nucleare în reponsabilitatea AIEA. Tratatul promovează cooperarea și accesul egal al statelor la utilizarea pașnică a energiei nucleare și în același timp previne deturnarea materialului fisionabil pentru fabricarea de arme.

Riscul proliferării armelor nucleare nu este complet eliminat deoarece unele țări precum India (80-110 focoase active), Pakistan (90-110 focoase active), Coreea de Nord (10 focoase active) și Israel (75-200 focoase active) nu au semnat tratatul și au dezvoltat în secret arsenale nucleare. 

În 1996, la solicitareaONU Curtea Internațională de Justițiea emis o opinie consultativă privind « Legalitatea amenințării sau folosirii armelor nucleare ». Curtea a stabilit că amenințarea sau folosirea armelor nucleare ar putea viola diferite articole ale dreptului internațional, inclusiv Convenția de la Geneva, Convenția de la Haga, carta ONU și Declarația universală a drepturilor omului. 
Impactul asupra mediului

Producerea și testarea armelor nucleare în Rusia (fosta URSS) a condus la contaminarea excesivă a anumitor regiuni, peste limitele admisibile

Numai suprafața contaminată de activitățile Minatom depășește 480 km2. O problemă gravă privește stocarea necorespunzătoare a deșeurilor nucleare. Circa 650 milioane m3 de deșeuri stocate de Minatom conțin o activitate de 2 miliarde de Ci. Alte organizații dețin 12 000 tone de combustibil ars cu o activitate de 8,2 miliarde de Ci. În plus, cantități foarte mari de ape puternic contaminate (1,5 miliarde Ci) au fost injectate în subteran sau pur și simplu aruncate în lacurile sau râurile din apropiere. Din cele 184 submarine nucleare scoase din uz acum 10-15 ani 104 au rămas cu combustibilul ars la bord, iar starea lor precară reprezintă un mare pericol pentru mediu.

Începând din 1989 SUA a înființat la Departamentul Energiei un oficiu dedicate eliminării riscurilor asociate moștenirii Războiului Rece. 

Cea mai mare parte din această moștenire radioactivă provine din instalațiile de producere a uraniului îmbogățit și a plutoniului (minele de uraniu, prelucrarea chimică a uraniului, îmbogățirea, fabricarea combustibilului și a țintelor, iradierea în reactor, separarea chimică a plutoniului). Deșeurile generate la extragerea plutoniului reprezintă 85% din radioactivitatea asociată producerii armamentului nuclear, 71 % din apele contaminate și 33 % din terenurile contaminate.

Principiul întâi al termodinamicii

Principiul întâi al termodinamicii constituie o particularizare a legii conservării energiei la procesele în care intervine mișcarea termică a materiei, adică mișcarea dezordonată a unui număr mare de particule (atomi, molecule etc.).Energia unui sistem termodinamic este egală cu suma tuturor energiilor particulelor componente. Energia unui sistem se măsoară în raport cu un sistem de referință solidar cu sistemul termodinamic și cu originea în centrul de inerție al sistemului.

Ca urmare a interacțiunii dintre sistemul fizic și mediul exterior poate avea loc un transfer de energie. Acest transfer de energie se poate face cu sau fără variația parametrilor externi. În cazul în care interacțiunea are loc cu variația parametrilor externi, avem de-a face cu un proces mecanic sau cu o acțiune mecanică iar energia transferată se numeștelucru mecanic. Un proces de interacțiune are loc și în alte situații când parametrii externi care variază sunt inducția electrică, inducția magnetică etc. Daca interacțiunea are loc fără variația parametrilor externi, transmiterea energiei se numește schimb de căldură, iar energia transmisă se numește căldură. Rezultă că deși lucrul mecanic și căldura au dimensiunile unei energii, ele nu sunt forme de energie, ci forme de schimb de energie și nu sunt echivalente. Lucrul mecanic este o forma macrofizică (ordonată) de transmitere a energiei de la un sistem la altul, în timp ce căldura este o forma microfizică (neordonată) de transmitere a energiei.Primul principiu al termodinamicii a fost o formă precursoare legii conservării energiei la procesele în care intervine mișcarea termică a materiei. Acest principiu a fost enunțat pentru prima dată de către R.J. Mayer în 1842. La baza enunțului său a stat observația experimentală că lucrul mecanic se poate transforma în căldură și invers.

Transformări ale lucrului mecanic în căldură se întâlnesc în toate fenomenele de frecare între corpuri, la comprimarea și dilatarea gazelor, la transformarea lucrului mecanic în energie electrică și apoi în căldură prin efect Joule etc. Transformarea directă a căldurii în lucru mecanic se realizează prin intermediul mașinilor termice. Dacă se consideră unsistem adiabatic, adică între sistem și mediul înconjurător să nu aibă loc schimb de căldură, atunci starea unui astfel de sistem se poate schimba prin efectuarea unui lucru mecanic asupra sa de către mediul înconjurător și invers. În acest caz primul principiu poate fi scris sub forma

Din această relație rezultă că variația energiei interne a sistemului este egală cu diferența dintre cantitatea de căldură schimbată de sistem cu mediul înconjurător și lucrul mecanic efectuat asupra sistemului (sau de către sistem către exterior). Pentru schimbările infinitezimale, primul principiu se scrie sub forma:

În cadrul calculelor se face următoarea convenție: căldura este pozitivă dacă este primită de sistem din exterior și negativă dacă este cedată de sistem exteriorului; lucrul mecanic este pozitiv dacă este efectuat de sistem asupra exteriorului și negativ dacă este efectuat de exterior asupra sistemului. Această convenție este, ca orice convenție, arbitrară și la locul ei poate fi aleasă o alta. Forma descrisă permite ca la mașinile termice motoare mărimile care definesc randamentul termic să aibă valori pozitive.

O consecință a primului principiu este aceea că este imposibil să funcționeze un perpetuum mobile de speța întâi (prin perpetuum mobile de speța întâi se înțelege un sistem termodinamic capabil să furnizeze lucru mecanic exteriorului fără a primi o energie echivalentă sub formă de căldură din exterior). Să considerăm în acest scop un sistem ce suferă o transformare ciclică, adică o transformare în care starea finală coincide cu starea inițială. Energia internă fiind o mărime de stare, variația ei într-o astfel de transformare este nulă, ceea ce conduce la:

sau

ceea ce în conformitate cu convenția stabilită impune ca sistemul să primească căldura de la exterior pentru a putea efectua lucrul mecanic asupra acestuia.

În cazul unei pile galvanice sau celule de concentrație in ecuația primului principiu lucrul care apare este de natură electrică fiind produsul intre tensiunea la borne și sarcina electrică elementară deoarece pila debitează curent electric în circuitul exterior. Pilele galvanice (inclusiv cele de concentrație) transformă căldura în lucru electric (curent electric).

[modificare]Aplicații ale principiului întâi al termodinamicii la gazele perfecte. Capacități termice ale gazelor

Se numește capacitate termică C a unui sistem într-un anumit proces considerat și la o anumită temperatură căldura necesară pentru a ridica cu un grad temperatura sistemului, fără schimbarea stării de agregare.

Unitatea de măsură a lui C în Sistemul Internațional de unități este J/K.

Capacitatea termică raportată la unitatea de masă dintr-o substanță omogenă se numește capacitate termică masică, iar cea raportată la unitatea de volum capacitate termică volumică. Vechea denumire de căldură specifică este ambiguă și nerecomandată.

         J/(kg K)

respectiv

         J/(m³ K).

Capacitatea termică kilomolară, folosită mai ales la gaze, reprezintă capacitatea termică a unui kilomol de gaz și se măsoară în J/(kmol K).

Deoarece cantitatea de căldură nu este o funcție de stare, valoarea capacității termice va depinde felul transformărilor prin care trece sistemul.

În fizică cele mai folosite sunt căldurile molare la volum constant (C_v) și la presiune constantă (C_p) care se definesc prin cantitatea de căldură necesară încălzirii cu un grad a unui mol de gaz când se menține constant volumul, respectiv presiunea.

Energia internă a unui gaz este, în general, o funcție atât de T cât și de V și prin urmare:

Dacă se consideră o transformare la volum constant   (  ),    rezultă:

Conform definiției, capacitatea termică molară la volum constant va fi:

În mod analog capacitatea termică molară la presiune constantă este dată de relația:

Din relațiile de mai sus rezultă legătura dintre căldurile la volum și respectiv presiune constantă:

Pentru un gaz perfect energia internă depinde numai de temperatură ; aceasta se explică prin aceea că volumul ocupat de moleculele și interacțiunile dintre ele pot fi neglijate. Ca urmare, ținând cont și de ecuația de stare pV = RT (scrisă pentru un mol de gaz) se obține:

relație cunoscuta sub denumirea de relația lui R. Mayer.

Daca se ține cont de expresia energiei interne a unui mol de gaz perfect , unde i este numărul gradelor de libertate, atunci:

Un rol important în descrierea comportării gazelor îl joacă raportul dintre căldura molară la presiune constantă și căldura molară la volum constant:

Acest raport este denumit exponent adiabatic și pentru gaze perfecte are urmatoarele valori:

• gaze monoatomice:  (He, Ne, Ar, Kr ...)
• gaze biatomice:  (N₂, O₂ ...)
• gaze tri sau poliatomice:  (H₂O, NH₃, CH₄ ...)

MOTORUL DIESEL

 Numele motorului a fost dat după inginerul german Rudolf Diesel la sugestia soției sale, Martha Diesel, care în 1895 îl sfătuiește cu: Nenn ihn doch einfach Dieselmotor! („numește-l pur și simplu motor Diesel!”),^[1] ușurînd astfel lui Diesel căutarea după denumirea motorului, pe care l-a inventat în 1892 și l-a patentat pe 23 februarie 1893. Intenția lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o gamă largă de combustibili, inclusiv praful de cărbune. Diesel și-a prezentat invenția funcționând în 1900 la Expoziția Universală (World's Fair) având drept combustibil ulei de alune (vezi biodiesel).

Cum funcționează motorul diesel

Comprimarea unui gaz conduce la creșterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele diesel. Aerul este aspirat în cilindri și este comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin comprimare până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creșterea temperaturii și presiunii, care acționează pistonul. În continuare, ca la motoarele obișnuite, biela transmite forța pistonului către arborele cotit, transformând mișcarea liniară în mișcare de rotație. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri crește densitatea aerului și conduce la un randament mai bun.

În timpul iernii, când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor {format din cilindri și chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura și împiedicând aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistențe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite și rezistențe electrice montate în blocul motor, tot pentru a ușura pornirea și a micșora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului și a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecție al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat și această problemă.

O componentă vitală a motoarelor diesel este regulatorul de turație, mecanic sau electronic, care reglează turația motorului prin dozarea corectă a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), cantitatea de aer aspirată nu este controlată, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme în funcție de sarcină și viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comandă injecția de combustibil și limitează turația motorului prin intermediul unei unități centrale de control care primește permanent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.

Controlul precis al timpilor de injecție este secretul reducerii consumului și al emisiilor poluante. Timpii de injecție sunt măsurați în unghiuri de rotație ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior. De exemplu, dacă unitatea centrală de control inițiază injecția cu 10 grade înainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecție de 10 grade. Avansul la injecție optim este dat de construcția, turația și sarcina motorului respectiv.

Avansând momentul injecției (injecția are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort interior) arderea este completă, la presiune și temperatură mare, dar cresc și emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecție întârziată conduce la ardere incompletă și emisii vizibile de particule de fum.

Motor electric

Motorul de inducţie trifazat este cel mai răspândit motor electric
Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.
Principiul de funcționare
Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă și motoare electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.
Utilizare
Fiind construite într-o gamă extinsă de puteri, motoarele electrice sunt folosite la foarte multe aplicații: de la motoare pentru componente electronice (hard disc, imprimantă) până la acționări electrice de puteri foarte mari (pompe, locomotive, macarale).
Clasificare
Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent continuu și motoare de curent alternativ. În funcție de numărul fazelor curentului cu care funcționează, motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau motoare polifazate (cu mai multe faze).

Motoare de curent continuu
Funcționează pe baza unui curent ce nu-și schimbă sensul, curent continuu. În funcție de modul de conectare al înfășurării de excitație, motoarele de curent continuu se împart în patru categorii:
-Cu excitație derivație
-Cu excitație serie
-Cu excitație mixtă
-Cu excitație separată
-Motoare de curent alternativ
-Motoare asincrone
Mașinile electrice asincrone sunt cele mai utilizate mașini în acționările cu mașini de curent alternativ. S-au dat mai multe definiții în ceea ce privește mașina electrică asincronă. Două dintre cele mai folosite definiții din domeniul acționărilor electrice sunt:
1.O mașină asincronă este o mașină de curent alternativ pentru care viteza în sarcină și frecvența rețelei la care este legată nu sunt într-un raport constant.
2.O mașină este asincronă dacă circuitului magnetic îi sunt asociate două sau mai multe circuite ce se deplasează unul în raport cu celălalt și în care energia este transferată de la partea fixă la partea mobilă sau invers prin fenomenul inducției electromagnetice.
O caracteristic a mașinilor asincrone este faptul că viteza de rotație este puțin diferită de viteza câmpului învârtitor, de unde și numele de asincrone. Ele pot funcționa în regim de generator (mai puțin răspândit) sau de motor. Cea mai largă utilizare o au ca motoare electrice (în curent trifazat), fiind preferate față de celelalte tipuri de motoare prin construcția mai simplă (deci și mai ieftină), extinderea rețelelor de alimentare trifazate și prin siguranța în exploatare.
La aceste motoare, viteza scade puțin cu sarcina; din acest motiv caracteristica lor mecanică se numește caracteristică tip derivație. Motoarele asincrone se folosesc în acționările în care se cere ca turația să nu varieze cu sarcina: mașini-unelte obișnuite, ventilatoare, unele mașini de ridicat, ascensoare, etc.
Motoare cu inele de contact ( rotorul bobinat)
Motoare cu rotorul în scurtcircuit
Motoare de tipuri speciale
]Motoare cu bare înalte
Motoare cu dublă colivie Dolivo-Dobrovolski
Motoare sincrone
Elemente constructive
Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părți componente: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.
Motorul de curent continuu
Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator. Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică reversibilă, care putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional.
Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.
În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:
• motor cu excitație independentă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune
• motor cu excitație paralelă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune
• motor cu excitație serie - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie
• motor cu excitație mixtă - unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.
Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.
Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.
Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Motor universal folosit la râşniţele de cafea
Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face, așadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea rotorică. Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru că în acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă și implicit câmpul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).
Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul unei perioade. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).
Motorul de curent alternativ
Motoarele de curent alternativ funcționează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducție bifazat, punând bazele mașinilor electrice ce funcționează pe baza câmpului magnetic învârtitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea și transmisia eficientă la distanță a energiei electrice, marcând cea de-a doua Revoluție industrială. Un alt punct important în istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în anul 1890 a rotorului în colivie de veveriță.
Motorul de inducție trifazat
Motorul de inducție trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea rotorică. După tipul înfășurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:
• rotor în colivie de veveriță (în scurtcircuit) - înfășurarea rotorică este realizată din bare de aluminiu sau -mai rar- cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.
• rotor bobinat - capetele înfășurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.
Prin intermediul inducției electromagnetice câmpul magnetic învârtitor va induce în înfășurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin înfășurare și asupra acestei înfășurări acționează o forță electromagnetică ce pune rotorul în mișcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numește asincron pentru că turația rotorului este întotdeauna mai mică decât turația câmpului magnetic învârtitor, denumită și turație de sincronism. Dacă turația rotorului ar fi egală cu turația de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce curenți în rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu.
Turația motorului se calculează în funcție alunecarea rotorului față de turația de sincronism, care este cunoscută, fiind determinată de sistemul trifazat de curenți.
Alunecarea este egală cu: , unde
n1 este turația de sincronism și
n2 este turația rotorului.
, unde
f este frecvența tensiunii de alimentare și
p este numărul de perechi de poli ai înfășurării statorice.
Turația mașinii, în funcție de turația câmpului magnetic învârtitor și în funcție de alunecare este: .
Se observă că alunecarea este aproape nulă la mers în gol (când turația motorului este aproape egală cu turația câmpului magnetic învârtitor) și este egală cu 1 la pornire, sau când rotorul este blocat. Cu cât alunecarea este mai mare cu atât curenții induși în rotor sunt mai intenși. Curentul absorbit la pornirea prin conectare directă a unui motor de inducție de putere medie sau mare poate avea o valoare comparabilă cu curentul de avarie al sistemelor de protecție, în acest caz sistemul de protecție deconectează motorul de la rețea. Limitarea curentului de pornire al motorului se face prin creșterea rezistenței înfășurării rotorice sau prin diminuarea tensiunii aplicate motorului. Creșterea rezitenței rotorului se face prin montarea unui reostat la bornele rotorului (doar pentru motoarele cu rotor bobinat). Reducerea tensiunii aplicate se face folosind un autotransformator, folosind un variator de tensiune alternativă (pornirea lină) sau conectând inițial înfășurarea statorică în conexiune stea (pornirea stea-triunghi - se folosește doar pentru motoarele destinate să funcționeze în conexiune triunghi) sau prin înserierea de rezistoare la înfășurarea statorică. La reducerea tensiunii de alimentare trebuie avut în vedere că cuplul motorului este proporțional cu pătratul tensiunii, deci pentru valori prea mici ale tensiunii de alimentare mașina nu poate porni.
Turația mașinii de inducție se modifică prin modificarea alunecării sale sau prin modificarea turației câmpului magnetic învârtitor. Alunecarea se poate modifica din tensiunea de alimentare și din rezistența înfășurării rotorice astfel: se crește rezistența rotorică (prin folosirea unui reostat la bornele rotorice - doar la motoarele cu rotor bobinat) și se variază tensiunea de alimentare (folosind autotransformatoare, variatoare de tensiune alternativă, cicloconvertoare) sau se menține tensiunea de alimentare și se variază rezistența din rotor (printr-un reostat variabil). Odată cu creșterea rezistenței rotorice cresc și pierderile din rotor și implicit scade randamentul motorului. O metodă interesantă de reglare a turației sunt cascadele de recuperare a puterii de alunecare. La bornele rotorice este conectat un redresor, iar la bornele acestuia este conectat un motor de curent continuu aflat pe același ax cu motorul de inducție (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale mecanică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată și aplicată motorului de curent continuu astfel încât cuplul dezvoltat de motorul de curent continuu se însumează cuplului dezvoltat de motorul de inducție. Reglarea turației motorului de inducție se face prin reglarea curentului prin înfășurarea de excitație. În locul motorului de curent continuu se poate folosi un invertor cu tiristoare și un transformator de adaptare (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale electrică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată și prin intermediul invertorului și a transformatorului este reintrodusă în rețea. Reglarea vitezei se face din unghiul de aprindere al tiristoarelor.
Turația câmpului magnetic învârtitor se poate modifica din frecvența tensiunii de alimentare și din numărul de perechi de poli ai mașinii. Numărul de perechi de poli se modifică folosind o înfășurare specială (înfășurarea Dahlander) și unul sau mai multe contactoare. Frecvența de alimentare se modifică folosind invertoare. Pentru frecvențe mai mici decât frecvența nominală a motorului (50 Hz pentru Europa, 60 Hz pentru America de Nord) odată cu modificarea frecvenței se modifică și tensiunea de alimentare păstrând raportul U/f constant. Pentru frecvențe mai mari decât frecvența nominală la creșterea frecvenței tensiunea de alimentare rămâne constantă și reglarea vitezei se face cu slăbire de câmp (ca la motorul de curent continuu).
Sensul de rotație al motorului de inducție se inversează schimbând sensul de rotație al câmpului învârtitor. Aceasta se realizează schimbând două faze între ele.
Motorul de inducție cu rotorul în colivie este mai ieftin și mai fiabil decât motorul de inducție cu rotorul bobinat pentru că periile acestuia se uzează și necesită întreținere. De asemenea, motorul de inducție cu rotorul in colivie nu are colector și toate dezavantajele care vin cu acesta: zgomot, scântei, poluare electromagnetică, fiabilitate redusă și implicit întreținere costisitoare. Motoarele de curent continuu au fost folosite de-a lungul timpului în acționările electrice de viteză variabilă, deoarece turația motorului se poate modifica foarte ușor modificând tensiunea de alimentare însă, odată cu dezvoltarea electronicii de putere și în special cu dezvoltarea surselor de tensiune cu frecvență variabilă, tendința este de înlocuire a motoarelor de curent continuu cu motoare de inducție cu rotor în colivie.
Motorul de inducție monofazat
În cazul în care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este în aplicațiile casnice, se poate folosi un motor de inducție monofazat. Curentul electric monofazat nu poate produce câmp magnetic învârtitor ci produce câmp magnetic pulsatoriu (fix în spațiu și variabil în timp). Câmpul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, însă dacă acesta se rotește într-un sens, atunci asupra lui va acționa un cuplu în sensul său de rotație. Problema principală o constituie deci, obținerea unui câmp magnetic învârtitor la pornirea motorului și aceasta se realizează în mai multe moduri.
Prin atașarea pe statorul mașinii la un unghi de 90° a unei faze auxiliare înseriată cu un condensator se poate obține un sistem bifazat de curenți ce produce un câmp magnetic învârtitor. După pornirea motorului se deconectează faza auxiliară printr-un întrerupător centrifugal. Sensul de rotație al motorului se poate schimba prin mutarea condensatorului din faza auxiliară în faza principală.
În locul fazei auxiliare se poate folosi o spiră în scurtcircuit plasată pe o parte din polul statoric pentru obținerea câmpului învârtitor. Curentul electric indus în spiră se va opune schimbării fluxului magnetic din înfășurare, astfel încât amplitudinea câmpului magnetic se deplasează pe suprafața polului creând câmpul magnetic învârtitor.
Servomotorul asincron monofazat
Servomotorul asincron monofazat este o mașină de inducție cu două înfășurări: o înfășurare de comandă și o înfășurare de excitație. Cele două înfășurări sunt așezate la un unghi de 90° una față de cealaltă pentru a crea un câmp magnetic învârtitor. Rezistența rotorului este foarte mare pentru a realiza autofrânarea motorului la anularea tensiunii de pe înfășurarea de comandă. Datorită rezistenței rotorice mari, randamentul motorului este scăzut și motorul se folosește în acționări electrice de puteri mici și foarte mici.
Motorul sincron trifazat
Motorul sincron trifazat este o mașină electrică la care turația rotorului este egală cu turația câmpului magnetic învârtitor indiferent de încărcarea motorului. Motoarele sincrone se folosesc la acționări electrice de puteri mari și foarte mari de până la zeci de MW.
Statorul motorului sincron este asemănător cu statorul motorului de inducție (este format dintr-o armătură feromagnetică statorică și o înfășurare trifazată statorică). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armătură feromagnetică rotorică și o înfășurare rotorică de curent continuu. Pot exista două tipuri constructive de rotoare: cu poli înecați și cu poli aparenți. Rotorul cu poli înecați are armătura feromagnetică crestată spre exterior și în crestătură este plasată înfășurarea rotorică. Acest tip de motor are uzual o pereche de poli și funcționează la turații mari (3000 rpm la 50 Hz). Rotorul cu poli aparenți are armătura feromagentică sub forma unui butuc poligonal pe care sunt plasate miezurile polilor rotorici și bobine polare concentrate. În unele situații în locul bobinelor polare concentrate se pot folosi magneți permanenți. Motorul sincron cu poli aparenți are un număr mare de poli și funcționează la turații mai reduse. Accesul la înfășurarea rotorică se face printr-un sistem inel-perie asemănător motorului de inducție. Motoarele sincrone cu poli aparenți pot avea cuplu chiar și în lipsa curentului de excitație, motorul reactiv fiind cel ce funcționează pe baza acestui cuplu, fără înfășurare de excitație și fără magneți permanenți.
Înfășurarea rotorică (de excitație) a motorului parcursă de curent continuu creează un câmp magnetic fix față de rotor. Acest câmp „se lipește” de câmpul magnetic învârtitor statoric și rotorul se rotește sincron cu acesta. Datorită inerției, câmpul magnetic rotoric nu are timp să se lipească de câmpul magnetic învârtitor și motorul sincron nu poate porni prin conectare directă la rețea. Există trei metode principale de pornire a motoarelor sincrone:
• pornirea în asincron - pe tălpile polare rotorice este prevăzută o colivie asemănătoare coliviei motorului de inducție și motorul pornește pe același principiu ca al motorului de inducție.
• pornirea la frecvență variabilă - este posibilă doar atunci când este disponibilă o sursă de tensiune cu frecvență variabilă sau un convertor cu frecvență variabilă. Creșterea frecvenței se face lent, astfel încât câmpul învârtitor să aibă viteze suficient de mici la început pentru a putea permite rotorului să se „lipească” de câmpul magnetic învârtitor.
• pornirea cu motor auxiliar - necesită un motor auxiliar ce antrenează motorul sincron conectat la rețea. Când motorul ajunge la o turație apropiată de turația de sincronism motorul auxiliar este decuplat, motorul sincron se mai accelerează puțin până ajunge la turația de sincronism și continuă să se rotească sincron cu câmpul magnetic învârtitor.
Motorul sincron monofazat
Este realizat uzual ca motor sincron reactiv cu sau fără magneți permanenți pe rotor. Asemănător motoarelor de inducție monofazate, motoarele sincrone monofazate necesită un câmp magnetic învârtitor ce poate fi obținut fie folosind o fază auxiliară și condensatorfie folosind spiră în scurtcircuit pe polii statorici. Se folosesc în general în acționări electrice de puteri mici precum sistemele de înregistrare și redare a sunetului și imaginii.
Motorul pas cu pas 

Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenți pe ambele armături. La apariția unui semnal de comandă pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa până când polii săi se vor alinia în dreptul polilor opuși statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol în pol, de unde și denumirea sa de motor pas cu pas. Comanda motorului se face electronic și se pot obține deplasări ale motorului bine cunoscute în funcție de programul de comandă. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesară precizie ridicată (hard disc, copiatoare).