Motorino elettrico fatto in casa

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1 Realiz zato da Giovanni Gerardi VA P.N.I. a.s Motorino elettrico fatto in casa

2 Premesse. In una lezione di fisica verso metà marzo la professoressa di matematica e fisica Maria Gruarin ha introdotto a noi studenti il momento torcente dovuto ad una forza magnetica (generata da una campo magnetico) che agisce su una spira rettangolare percorsa da corrente. Quest argomento si ricollegava alla struttura essenziale di un motorino elettrico, che funziona appunto tramite la presenza di una spira rettangolare percorsa da corrente immersa in un campo magnetico uniforme. L argomento fu talmente interessante che decisi di improvvisare un motorino. Quanto seguirà può essere letto come un mini guida alla realizzazione di un principio di motorino elettrico. Strumenti magneti del geomag; - filo di rame smaltato (diametro 0,08 mm); - filo di rame isolato; - una dozzina di stuzzicadenti; - un pacchetto di sigarette; - una base di sughero circolare (è sostituibile con qualsiasi altra cosa permetta l inserimento delle componenti in modo fisso); - una batteria stilo da 1,5 V; - nastro isolante (è più resistente del nastro adesivo normale); - tanta pazienza. Realizzazione. Le tappe: 1- Il magnete. Prendere i 6 magneti della geomag e il nastro isolante. Legare tramite il nastro una coppia di magneti, in modo che i poli dei due magneti adiacenti siano della stessa polarità (per essere sicuri avvicinate le estremità adiacenti dei due magneti: se si respingono vuol dire che hanno la stessa polarità). Dato che i magneti geomag sono abbastanza forti si farà un pò di fatica, perché appunto i due poli adiacenti tenderanno a respingersi, non permettendo il perfetto allineamento della coppia dei magneti. Analogamente ripetere il processo altre due volte, fino ad ottenere 3 coppie di magneti. Infine unire le tre coppie per formare un grande magnete 3X2, rispettando sempre il principio per cui le estremità adiacenti delle coppie si respingano. Ciò che si otterrà è un magnete più grande di superficie rispetto al singolo, e con un campo magnetico di intensità maggiore (approssimativamente uniforme).

3 Successivamente ripetere una seconda volta l operazione con i 6 geomag rimanenti, per ottenere lo stesso prodotto. Munirsi di due stuzzicadenti per far porre faccia a faccia i due grandi magneti realizzati, in modo che le loro superficie si attraggano (i poli della facce sono opposti quindi e tenderanno ad attrarsi). Come in figura: 2- Aste per il supporto e l alimentazione di corrente della spira Quanto si andrà a costruire ha una doppia funzione: da una parte permetterà alla spira di essere sostenuta con una minima (se non trascurabile --> dipende molto anche dalla forza peso esercitata dalla spira) quantità di attrito; dall altra alimenterà la spira di corrente, in quanto la parte superiore dell asta è composta di rame. Prendere due stuzzicadenti, del filo di rame, del nastro isolante e due pinze. Tagliare 20 cm di filo di rame e dividerlo a metà (10 cm per ogni filo di rame). Cercare di rendere ogni filo il più dritto possibile, tramite l ausilio delle due pinze (le due aste non devono presentare imperfezioni, quali curve, perché potrebbero entrare in conflitto con la corretta rotazione della spira, specialmente se sono le estremità delle aste) Tagliare di circa 0,7 cm un estremità di entrambi gli stuzzicadenti. Occorrente per un asta: 10 cm di filo, 1 stuzzicadenti mozzato ad un estremità, nastro isolante. Per la realizzazione seguire lo schema mostrato nell immagine: 3- Bas e/i mpianto. Prendere la base di sughero circolare e tracciare a matita un diametro a piacere e il suo punto medio.

4 Dal punto medio segnare, sempre sul diametro, un punto che disti 4,5 cm sia a destra che a sinistra del punto medio (in questi due punti si inseriranno le due aste, ma successivamente). Segnare quattro punti dove verranno impiantati gli stuzzicadenti per sorreggere lo statore (magnete). Infine segnare 4 punti adiacenti ai 4 punti precedenti. Si consiglia di seguire lo schema in figura: Prendere 4 stuzzicadenti corti e 4 lunghi. Tagliare a tutti e 8 gli stuzzicadenti un estremità appuntita di circa 0,7 cm. Impiantare i 4 stuzzicadenti corti nei 4 punti più vicini al centro (segnato in rosso) del cerchio (base di sughero). Impiantare i 4 stuzzicadenti lunghi nei 4 punti meno vicini al centro. La funzione dei primi 4 stuzzicadenti corti è di sorreggere il magnete, mentre quella dei 4 lunghi è di evitare che il magnete subisca spostamenti laterali o che caschi dall impalcatura. Impiantare con forza le due aste sui due punti segnati sul diametro della base di sughero, in modo che le estremità inferiori di filo di rame siano perpendicolari al diametro. Osservazioni: assicurarsi che le aste siano ben impiantate nel sughero, e soprattutto che siano parallele (in modo da non compromettere la rotazione della spira). Prendere filo di rame isolato e tagliarne 2 pezzi di 12 cm ciascuno. Con attenzione tagliare 0,5 cm di parte in gomma di ciascuna estremità del filo di rame isolato. Legare i due fili di rame isolato all estremità inferiore di filo di rame delle aste, isolando e rafforzando il tutto con del nastro isolante. Assicurarsi che il filo di rame isolato sia ben saldo sulla base di sughero (è possibile incollarlo o legarlo). Come in figura:

5 Prendere un pacchetto di sigarette e tagliarlo trasversalmente in due. Prendere la parte inferiore ottenuta e disegnare due piccole circonferenze sui lati di larghezza minore (il raggio delle circonferenze deve essere uguale al raggio di una batteria --> andare ad occhio). Tagliare i cerchi disegnati e incollare l apparecchio (con del biadesivo) alla base di sughero, nella posizione il più lontano possibile dal centro. Come in figura: 4- La spira Questa è la parte fondamentale, se non centrale del nostro esperimento. Si tratta di realizzare una semplice spira di rame rettangolare. La semplicità della forma non deve indurre a credere che sia una sciocchezza: dalla corretta realizzazione dipenderà il corretto funzionamento del motorino, perché se la spira presenta delle disomogeneità, queste potrebbero impedire la rotazione della spira stessa. Tagliare un pezzo di filo di rame lungo 20 cm. Con l ausilio di una pinza, piegare il filo di rame cercando di ottenere una spira di area rettangolare. In figura è mostrato come procedere: Osservazioni: si noti come su un lato del rettangolo la spira passa due volte. Questa non è una spira omogenea, in quanto la forza magnetica che verrà esercitata sui lati perpendicolari alla direzione del campo magnetico è differente (dove c è il doppio filo la forza sarà maggiore). Tuttavia per il fine che mi sono prefissato, ciò ha poca importanza, in quanto basta dimostrare la presenza del momento torcente della spira.

6 Osservazioni: la spira che si deve ottenere è simile a questa. Fare attenzione che le estremità dritte della spira siano della stessa lunghezza e che soprattutto giacciano sulla stessa linea passante per il centro della spira (affinché la rotazione sia il più possibile omogenea). 5- Montaggio La parte divertente arriva ora: una volta realizzate le diverse componenti si procede con l assemblaggio del motorino. Mettere lo statore sull apposito supporto: i 4 stuzzicadenti corti servono come pilastri portanti, mentre i 4 lunghi hanno la funzione di evitare che il magnete, grazie a qualche accidentale urto, possa spostarsi o cadere, causando così danni alla spira. Inserire la pila nella sistemazione realizzata (il circuito per il momento lo si lasci aperto). Appoggiare le estremità lunghe della spira sulle aste, facendo in modo che la parte rettangolare passi attraverso lo spazio magnetico dovuto ai grandi magneti. Fase pratica finita --> inizio fase funzionamento e osservazioni. Osservazioni: queste immagini rappresentano il modellino completo sotto differenti punti di vista, in modo tale da chiarire qualsiasi dubbio sulla sua realizzazione. 6- Fase funzio namento Chiudere il circuito attraverso le estremità di filo di rame isolato rimaste libere. Si osserverà come la spira incominci a ruotare intorno al proprio asse (l asse immaginario che passa per le estremità della spira). Se la spira non dovesse ruotare sono da prendere in considerazioni i seguenti motivi: - La batteria scelta è scarica; - Durante l assemblaggio il circuito non è stato realizzato in maniera ottimale: probabile che qualche collegamento si sia mollato; - La spira è bloccata alle estremità da troppo attrito: in tal caso rimodellare le estremità di rame delle aste;

7 Un po di fisica Dall esperienza passo alla teoria. Per quale motivo la spira ruota su sé stessa, pur non essendo esercitata nessuna forza meccanica su di essa? Ci si aspetterebbe che una rotazione (meccanica) sia dovuta ad una forza della stessa natura. Ciò se non sapessimo che nella spira scorre la corrente. Ciò che provoca la rotazione intorno al proprio asse è il momento torcente. Vediamo di analizzare il fenomeno generale dal principio: - La spira realizzata viene immersa nel campo magnetico generato dal grande magnete. Si è visto come la definizione di campo magnetico sia in relazione alla forza magnetica, in quanto in natura esistono solo dipoli magnetici. - F = i*l x B è la seconda definizione di campo magnetico a partire da un filo percorso da corrente. Il campo magnetico è trovabile esplicitando per B. La spira è sostanzialmente un filo percorso da corrente, quindi ecco che si userà questa definizione di campo magnetico per trovare la forza magnetica esercitata sulla spira. Il campo è quello generato dal grande magnete, la corrente è quella generata dalla batteria, la lunghezza è quella della spira (il segmento considerato). - La forza magnetica a sua volta genera un momento torcente sulla spira (τ = F x r è l equazione generale di un qualsiasi momento torcente). Dopo lo studio delle varie forza esercitate sulla spira (in totale sono quattro, una per lato), si arriva a comprendere che il momento torcente sulla spira è dovuto ad una coppia di forze, ossia quelle esercitate sui lati paralleli all asse immaginario della spira. Infatti queste ultime non agendo sulla stessa linea d azione ed essendo opposte (regola della mano destra) generano la rotazione, sollecitata dal momento torcente. - Breve schema riassuntivo: Spira immersa in campo magnetico --> corrente --> forza sulla spira --> momento torcente --> rotazione La breve spiegazione fisica precedente del fenomeno è da leggersi per avere un quadro molto generale di ciò che accade, per delineare quali siano i punti salienti della rotazione, dovuta a corrente, campo magnetico, area della spira e dall angolo che il campo magnetico forma con la perpendicolare passante al piano della spira. Conclusioni. Il progetto ha avuto buon fine. La teoria è stata riscontrata nella pratica (tralasciando le approssimazioni). Per chiunque voglia cimentarsi in un lavoro simile, si ritagli un pomeriggio abbondante di tempo libero --> le ore trascorse voleranno, quindi non è per niente pesante, anzi tutt altro.

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