Solenoidi e campi magnetici

Transcript

1 1 Materiali Solenoidi e campi magnetici Generatore di corrente continua (senza potenziometro); Generatore di corrente continua (con potenziometro integrato); Generatore di corrente continua e alternata, con potenziometro; Potenziometro; Solenoide; Magnetometro (app Physics Toolbox Suite per Android); Cavi; 2 Scopo dell esperienza L obiettivo è quello di dare concretezza a una serie di concetti visti in precedenza a lezione (circuito elettrico, solenoide, corrente continua/alternata, campi magnetici) attraverso l osservazione e l analisi di alcune semplici esperienze. Si partirà dall analisi di oggetti concreti, la cui realizzazione è semplice ma allo stesso tempo richiede una serie di accortezze. 3 Descrizione dell esperienza L esperienza si basa su una serie di osservazioni di materiali e fenomeni. 3.1 Solenoide La prima parte dell esperienza consiste nel prendere familiarità con oggetti definiti in modo fumoso a lezione: linee e disegni sulla lavagna diventano solenoidi veri, fatti di filo di rame avvolto intorno a un tubo di plastica. Alcune osservazioni: Il filo dev essere ricoperto di un sottile strato di isolante altrimenti la corrente non percorre tutto il circuito ma crea un corto circuito ; A seconda del numero di giri e della dimensione del tubo si ottengono solenoidi diversi; Il solenoide è un oggetto a se stante, con 2 estremità del filo libere (pronte per essere collegate in un circuito); Poiché il filo è ricoperto di isolante, non è possibile attaccare il morsetto direttamente sul filo, ma andrà prima grattata via la patina isolante. Insomma, il solenoide è un oggetto molto semplice, ma vanno usate alcune accortezze per rendere il tutto utilizzabile.

2 3.2 Campo magnetico Figura 1: Diversi tipi di solenoide Creiamo un campo magnetico utilizzando un solenoide e un circuito a corrente continua. Per farlo attacchiamo il generatore alla corrente, e poi creiamo un circuito con i cavi a disposizione. Notiamo che: Il verso della corrente può essere cambiato invertendo i cavi; Il circuito così creato è costituito da una f.e.m. (il generatore) e da una resistenza (data dal filo stesso). La resistenza di un filo si calcola grazie alla Seconda Legge di Ohm: R = ρ l S ρ (resistività) l (lunghezza) S (area sezione) poiché un filo ha sezione e resistività costanti (dipendono da forma e materiale del filo), la resistenza è proporzionale alla lunghezza. In questo caso la resistenza sarà molto alta, visto che il circuito (o meglio il solenoide) è molto lungo: quanto filo serve per fare N spire? l N spire = N l 1 spira = N (2πR) = 2πNR Un solenoide percorso da corrente continua genera un campo magnetico. In particolare, all interno di un solenoide, il campo magnetico vale: B = µ 0 N l i N (numero spire) i (corrente) l (lunghezza) Poiché un solenoide reale ha un numero di spire N e una lunghezza l ben definite, ed essendo in genere immerso in aria, possiamo notare che B dipende solo dall intensità di corrente che circola nel circuito (è direttamente proporzionale). Il campo magnetico non si vede: ci serve un rilevatore! In generale non è facile trovare un magnetometro!!! Per fortuna lo smartphone ha una serie di sensori adatti a questo: vedi Physics Toolbox Suite.

3 3.3 Physics Toolbox Suite Per rilevare un campo magnetico, e le sue variazioni nel tempo, abbiamo bisogno di un magnetometro. Quale miglior dispositivo del proprio smartphone? Infatti sul proprio cellulare sono presenti una serie di sensori molto precisi e molto diversi tra loro, che permettono in primis al proprio dispositivo di avere informazioni diverse in pochi attimi. A noi questa comodità torna utile proprio per rilevare il campo magnetico (che non è visibile ad occhio nudo e non si può rilevare se non con aghi magnetici). Una volta installata l applicazione Physics Toolbox Suite non ci resta che Figura 2: App Physics Toolbox Suite per Android selezionare la voce magnetometro e visualizzare in pochi attimi il campo magnetico presente. L applicazione mostra non solo il modulo del campo magnetico (visibile in bianco), ma anche le componenti del vettore campo magnetico stesso. In particolare le componenti sono riferite ad un sistema di coordinate che si può visualizzare nell immagine sottostante. Il sensore rileva il campo con una frequenza molto alta, il che rende spesso difficile una visualizzazione pulita del campo in questione. Attraverso le impostazioni dell app è possibile comunque cercare di sistemare la schermata adattandola ai propri bisogni. Una delle prime cose che notiamo è l esistenza di un campo magnetico di base. Anche senza accendere la corrente esiste già un campo magnetico, di circa 100 µt. Di che si tratta? Non è niente altro che il campo magnetico terrestre, utilizzato solitamente per orientarsi grazie ad una bussola. Per rilevare il campo magnetico generato da un solenoide metteremo il nostro cellulare vicino ad esso, con un unica accortezza: il sensore del magnetometro si trova in genere vicino alla fotocamera anteriore, quindi posizioniamo lo smartphone in modo che questo sensore sia più vicino possibile all imboccatura del solenoide. Le coordinate del campo magnetico vengono rilevate in base al sistema di assi cartesiani visibile a lato.

4 3.4 Potenziometro e reostato Un generatore di corrente, solitamente, è in grado di generare una sola f.e.m., ben determinata e segnalata sul generatore stesso. Di conseguenza per i nostri esperimenti abbiamo a disposizione solamente una tensione specifica. Come è possibile modificare la f.e.m. (o la corrente) a piacimento? La risposta è: un potenziometro. Dal punto di vista pratico un potenziometro altro non è che una manopola da girare per regolare l intensità di corrente che scorre nel circuito. Ma come funziona? L idea di fondo è quella di creare un dispositivo che ci permetta di modificare la resistenza di un circuito, e così modificare la corrente che scorre in esso (infatti sappiamo che la resistenza è direttamente proporzionale alla lunghezza del filo). Il potenziometro più semplice da costruire è il reostato, ovvero un solenoide con un estremità mobile che si può connettere a qualunque spira del solenoide. A seconda della posizione di quest estremità avrò un circuito più o meno lungo (e quindi più o meno resistenza). Figura 3: Reostato fisico e principio di funzionamento Poiché un reostato non è molto pratico da utilizzare (e tra l altro nemmeno molto utile perché dissipa molta energia sotto forma di effetto Joule), esistono altre forme più complesse dal punto di vista teorico ma meno problematiche nel lato pratico. Questo ed altri potenziometri vengono da noi utilizzati semplicemente sotto forma di manopoline da girare al bisogno per aumentare e diminuire la corrente in un circuito. Figura 4: Potenziometro a scatola chiusa

5 3.5 Circuiti e solenoidi Una volta predisposti tutti gli strumenti, siamo finalmente pronti per effettuare qualche esperimento. Iniziamo con un generatore di corrente continua collegato ad un solenoide tramite un potenziometro a scatola chiusa. Posizionando il nostro smartphone vicino al solenoide rileviamo un campo magnetico pressoché costante, dal momento in cui accendiamo il generatore di tensione. Nel momento in cui viene spento, il campo magnetico ritorna ad essere semplicemente quello terrestre. Figura 5: Generatore e potenziometro Aumentando e diminuendo la potenza, posso visualizzare sullo smartphone i diversi valori di campo magnetico generati. In particolare, allontanando il dispositivo dal solenoide, rilevo un campo via via decrescente (ce lo aspettiamo, perché ci ricordiamo che le linee di campo si concentrano soprattutto all imboccatura del solenoide). Possiamo provare qualcosa di leggermente diverso, andando a giocare un pò con un generatore di corrente alternata. Il generatore in questione ha un potenziometro integrato che permette di definire, con l aiuto di una specie di forchetta, il valore discreto di tensione da fornire. Il generatore, in base alla propria scelta, fornisce corrente continua (C.C.) o corrente alternata (C.A.) Figura 6: Generatore di corrente continua o alternata, con potenziometro Anche in questo caso si può visualizzare il campo magnetico con l aiuto dello smartphone. Si faccia attenzione al fatto che il campo magnetico, nel caso di corrente alternata, sarà anch esso alternato, quindi dovrebbe dare un modulo totale pressochè

6 costante, ma valori oscillanti per quanto riguarda le componenti (soprattutto la componente Y in caso di allineamento del dispositivo con l asse del solenoide). Per finire, proviamo ad utilizzare un alimentatore completo, fornito di potenziometro a manopola, con attacchi per corrente continua e alternata, voltmetro e soprattutto (novità rispetto al precedente) fornito di un tasto di accensione/spegnimento. Figura 7: Generatore completo Oltre alla possibilità di rivedere i precedenti esperimenti con una maggiore semplicità di utilizzo, questo generatore ci permetterà di fare alcuni test riguardanti gli effetti dovuti all accensione/spegnimento di un circuito a corrente continua (ovvero variazione di campo magnetico). Diego Rigo 23 novembre 2017