Corso di aggiornamento Il Tè degli Insegnanti area FISICA classi A038 e A049 per l anno scolastico 2008/09 prof. Gabriele Calzà COSTRUZIIONE DII OGGETTII DIIDATTIICII NELL IINSEGNAMENTO DELLA FIISIICA 3 MAGNETIISMO//ELETTROMAGNETIISMO Promosso dall Università degli studi di Trento a cura del Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche λcosф con la collaborazione del liceo Galilei di Trento e del Museo Tridentino di Scienze Naturali prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 1 -
ESP. 3/A 3. ELETTROMAGNETISMO a) MOTORINO ELETTRICO A SPIRE Un semplice motorino elettrico a spire Materiali: 80 cm di filo elettrico smaltato (del tipo per avvolgimenti) di diametro 0,7 0,9 mm circa una pila da 1,5 V portapila o scatoletta rettangolare adatta (5,4 cm 2,6 cm per una pila mezza torcia ) due lamine metalliche rigide conduttrici di circa 1 cm 8 cm calamita rettangolare o a disco larga circa 2 2,5 cm (v. fermacarte magnetici per bacheca) Attrezzatura: forbici da elettricista o spellafili pinza o tronchesi trapano con punta da ca. 3 mm cilindro di circa. 2 cm di diametro (per arrotolare le spire) nastro bi adesivo Procedura (tempo stimato 15 min.) Bucare entrambe le lamine in prossimità di un bordo corto in modo che il buco comunichi con l esterno per un piccolo tratto: vi si dovrà infilare il perno dell avvolgimento; inserire la pila e infilare le due lamine fra i contatti (ripiegandole su se stesse se necessario per fare un buon contatto o fissarsi bene), in modo che gli estremi bucati sporgano di circa 2 3 cm; attaccare il magnete al centro del portapila, eventualmente fissandolo con il nastro bi adesivo; avvolgere 6 8 spire usando il cilindro come supporto e concludere con un paio di giri attorno alle spire, facendo uscire i fili radialmente da due punti diametralmente opposti in modo che formino un perno ai due lati (curare la centratura per una buona stabilità dinamica); tagliare i fili terminali in modo che sporgano a sufficienza per infilarsi (con margine) nelle lamine e ripiegarne la punta ad L ; raschiare lo smalto alle estremità, così da esporre il rame per il contatto elettrico (a far bene si dovrebbe trattare solo metà faccia del filo, e precisamente quella rivolta verso le spire (non quella che dà sul buco), e in modo uguale per entrambe le estremità, ma la cosa non risulta strettamente necessaria). Non appena si infilerà l avvolgimento nei buchi, esso inizierà a girare vorticosamente (ma potrebbe anche aver bisogno di una piccola spinta per l avvio...). Il campo magnetico della calamita è fisso e diretto più o meno perpendicolarmente alle facce; mentre il campo magnetico dell avvolgimento ruota con esso ed è intermittente, (si accende, esercitando un momento in un verso, che mette in rotazione le spire, e si spegne più o meno quando eserciterebbe un momento contrario, che si opporrebbe alla rotazione. NOTA Visto che il diametro del filo è grande e la sua lunghezza piccola, il contatto esercitato è praticamente un corto circuito... Questo comporta due importanti conseguenze: un rapido consumo della batteria e un discreto riscaldamento del filo (toccare per credere). prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 2 -
ESP. 3/B 3. ELETTROMAGNETISMO b) MOTORINO OMOPOLARE Motorino omopolare fermo e in moto (notare il filetto della vite); il disco chiaro è un magnete al neodimio Materiali: un magnete al neodimio a forma di disco (diametro 1,5 2 cm) una pila da 1,5 V (maggiore dimensione implica maggiore durata...) una vite di circa 4 6 cm lunghezza, con testa piatta e punta ben centrata, ferromagnetica un pezzo di filo elettrico di circa 15 cm Attrezzatura: forbici da elettricista o spellafili Procedura (tempo stimato 10 min.) Attaccare il magnete alla testa della vite, centrandolo bene; il sistema vite magnete dovrà restare spontaneamente attaccato al polo positivo della pila (grazie alla magnetizzazione indotta); spellare entrambe le estremità del filo elettrico servendosi delle forbici; sospendere verticalmente la punta della vite ad un polo della pila in modo che possa ruotare liberamente, e trattenere un estremità del filo in contatto con l altro polo; sfiorare il bordo esterno del magnete con l estremità libera del filo, in modo da mantenere il contatto elettrico: il disco comincerà a girare vorticosamente. Come si può spiegare la rotazione di questo oggetto alla luce dei fatti noti in elettrodinamica classica? Ad es. qual è l elemento attivo? Quale elemento svolge il ruolo degli avvolgimenti e quale quello dei magneti fissi, di cui solitamente è costituito un motore elettrico? Fra quali parti si esplica la forza di Lorentz? Qui sì vi voglio..! E non è tutto: questo motore gira velocissimo, ma per impedirgli di partire è sufficiente una debolissima presa: sembra potente e debole allo stesso tempo. Come si spiega quest apparente contraddizione? Eh... NOTA Visto che il diametro del filo è grande e la sua lunghezza piccola, il contatto esercitato è praticamente un corto circuito... Questo comporta due importanti conseguenze: un rapido consumo della batteria e un discreto riscaldamento del filo (toccare per credere). AVVERTENZA I magneti al neodimio sono molto potenti, anche quando sono di ridotte dimensioni, e fragili. Lasciati liberi vicino ad un oggetto di ferro, ne sono attratti così violentemente da rischiare di frantumarsi. Anche il distacco può risultare difficoltoso. Interporre sempre qualcosa di morbido, è un utile precauzione. Nota culturale Neodimio: elemento chimico appartenente alle terre rare, simbolo: Nd; numero atomico: 60. prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 3 -
ESP. 3/C 3. ELETTROMAGNETISMO c) CORRENTI DI FOUCAULT N S Rappresentazione delle linee di campo e di corrente di un magnete in caduta in un tubo conduttore Materiali: una barretta di SuperMAG sbucciata dalla plastica (cilindri magnetici) un cilindro metallico simile al precedente ma non magnetizzato tubi metallici non ferromagnetici (alluminio, ottone, rame) e non metallici (PVC...) di diametro giusto per farci cedere dentro le barrette (facoltativo) un panno morbido per attutire la caduta a terra dei magneti Attrezzatura: taglierino (per sbucciare la barretta). Dopo aver estratto la barretta dall involucro di plastica, confrontare i diversi comportamenti (tempi di caduta/velocità) dei due tipi di cilindri nei diversi tubi. Come si spiega la reazione al cilindro magnetico da parte di metalli che in condizioni statiche non manifestano attrazione? (Ricordiamo che l alluminio è paramagnetico, il rame è diamagnetico, mentre l ottone è amagnetico). Spiegazione Per il fenomeno noto come induzione di Faraday, una variazione di flusso del campo magnetico genera correnti elettriche indotte in materiali in grado di ospitarle (conduttori), tanto più intense quanto più rapida è la variazione. Secondo la legge di Lenz, inoltre, queste correnti sono tali da opporsi con il proprio campo alla variazione che le genera, ostacolando magneticamente la corsa del magnete. Correnti di questo tipo prendono il nome di correnti parassite, ma sono note anche come correnti di Foucault. In molte situazioni sono alquanto indesiderate, perché dissipano potenza, e si cerca di ridurle al minimo (es. trasformatori); in altre situazioni, invece, sono sfruttate per sistemi frenanti passivi, sicuri e senza parti soggette ad usura (i carrelli delle montagne russe, il freno di emergenza negli ascensori, ecc...). NOTA Se si pratica una fessura per tutta la lunghezza del tubo metallico, in modo che la sua sezione non sia più un cerchio chiuso, bensì ne venga interrotta la continuità, le correnti non possono più circolare facilmente se non in sotto circuiti più piccoli, e l effetto frenante è minore. DOMANDE Volendo studiare il moto tramite il principio di conservazione dell energia, che fine fa il lavoro compiuto dalla forza gravitazionale che fa scendere il magnete? Come si concilia con il secondo principio della dinamica il fatto che ad una forza costante (la gravità), corrisponda una velocità costante? prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 4 -
ESP. 3/D d) BUSSOLA GALLEGGIANTE Bussola galleggiante Materiali: un magnete uno spillo un dischetto di legno oppure di sughero, in grado di far galleggiare l ago vaschetta o bicchiere, con acqua Magnetizzare lo spillo strofinando la punta su una faccia del magnete, e la cruna sull altra; far galleggiare l ago fissandolo ben al centro sul dischetto, e osservare il suo comportamento rispetto al campo magnetico terrestre o rispetto a quello di un magnete. UN CLASSICO Pur essendo fatto di acciaio, cioè di un materiale con densità molto maggiore di quella dell acqua, l ago può galleggiare anche da solo, sulla superficie. Come fa? ESP. 3/E e) GEOMAG: BUSSOLA DA TAVOLO Bussola realizzata con il GEOMAG Materiali: una confezione base di GEOMAG (almeno 2 barrette uguali e 3 sfere di cui due uguali) uno spillo con capocchia minuta o un ago un dischetto di cartoncino grosso (oppure di sughero o di legno) Attrezzatura: martelletto se il disco è di legno Attaccare due barrette e tre palline alternandole, facendo in modo che le estremità presentino poli opposti; piantare lo spillo nel centro del dischetto, in modo che sporga completamente dal lato della punta e che il dischetto funga da base per tenere lo spillo in verticale; flettere leggermente il sistema palline barrette in modo da abbassarne il baricentro e appoggiare con molta cura la sfera centrale sulla punta dello spillo (si può, si può): la bussola è libera di orientarsi. Il sistema di sospensione spillo sferetta consente di ridurre al minimo l attrito e permette una rotazione molto libera (e in linea di principio, permette al sistema di rispondere anche all inclinazione magnetica). prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 5 -
ESP. 3/F f) GEOMAG: URTI SENZA CONTATTO Urto senza contatto con il GEOMAG Materiali: Una confezione base di GEOMAG (almeno 2 barrette e 4 sfere uguali) Procedura e funzionamento (tempo stimato 5 min.) Attaccare due sfere a ciascuna barretta, in modo che possano rotolare, e lanciarle una contro l altra (con polarità uguali affacciate): ciò che si verifica è un urto quasi perfettamente elastico, ma che avviene senza contatto fra i due corpi. In realtà, quello che noi percepiamo macroscopicamente come contatto non è altro che una repulsione elettrostatica a cortissimo raggio che si instaura A DISTANZA, a livello microscopico. Atomi e molecole non si toccano mai! ESP. 3/G g) GEOMAG: TROTTOLA A BASSO ATTRITO Trottola a basso attrito realizzata con il GEOMAG Materiali: Una confezione base di GEOMAG (almeno 6 barrette e 5 sfere di cui quattro uguali) Costruire una struttura tipo piramidale, distribuendo la massa il più possibile all esterno e terminante con una sfera sulla sommità; sospendere la struttura tramite un ulteriore sfera (se necessario, servirsi di un altra barretta magnetica per indurre una maggior forza di sostegno): mettere in rotazione e osservare la durata del moto. Il contatto sfera sfera consente di ridurre al minimo l attrito e permette una rotazione molto lunga (bassa perdita di energia cinetica). Sarebbe interessante misurare i tempi di una rotazione nel vuoto, per studiare quanto incide la presenza dell aria. Si possono fare anche delle considerazioni sul momento d inerzia, sistemando le sfere vicino o lontano dal centro di rotazione, a parità di numero barrette (e quindi di lunghezza complessiva). prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 6 -