ELETTRICITÀ

E

MAGNETISMO

Magnetismo ed Elettricità è un corso di formazione teorico-pratico per insegnanti elementari progettato e condotto da Carlo Paracchini e Roberto Rattotti.

2

ELETTROSTATICAELETTROSTATICAELETTROSTATICAELETTROSTATICA

Cariche elettriche

Si distinguono due tipi di carica: positiva e negativa.

Cariche elettriche dello stesso segno si respingono, quelle di segno contrario si attraggono.

I corpi sono composti da atomi la cui configurazione elettrica determina la carica del corpo.

Un atomo e’ composto da un nucleo e una nube elettronica periferica, entrambi formati da particelle cariche elettricamente: il nucleo è costituito da protoni (positivi) e neutroni (neutri), la nube periferica da elettroni (negativi)

In condizioni normali un atomo contiene tante cariche positive quante negative, l'equilibrio dei due tipi cariche rende l' atomo neutro.

Anche i corpi sono normalmente neutri.

Mentre i nuclei sono difficilmente modificabili (processi nucleari) e’ abbastanza facile che un atomo ceda o acquisti più elettroni. Un atomo non elettricamente neutro prende il nome di ione. In questo caso l’atomo diviene elettricamente carico Anche un corpo può avere più o meno elettroni rispetto alla sua condizione di neutralità, in questo caso il corpo e’ elettricamente carico.

3

TRIBOELETTRICITÀTRIBOELETTRICITÀTRIBOELETTRICITÀTRIBOELETTRICITÀ

L'elettricità statica

L'elettrostatica è quella parte dell'elettrologia che studia i fenomeni conseguenti alla presenza, in una determinata zona dello spazio, di cariche elettriche, separate fra loro e in quiete, non in movimento. Questo tipo di elettricità è chiamato "elettricità statica".

L'elettrostatica è stata la prima forma di elettricità riscontrata e studiata dagli uomini, fin dall'antichità, quando si accorsero delle proprietà dell'ambra di attirare piccoli oggetti, ed è praticamente la sola presa in esame sino al 1800. La particolare proprietà dell'ambra sembra fosse già nota sin da tempi assai remoti, tanto che si narra che le donne siriane la impiegavano per togliere pagliuzze e foglie secche dalle loro vesti. Ma il primo uomo che effettuò razionali osservazioni sull'ambra sembra, ricordiamoci che stiamo parlando di avvenimenti di circa 2600 anni fa, dei quali, naturalmente, è assai problematico garantire l'autenticità, sia stato Talete di Mileto, considerato dalla tradizione come uno dei "sette savi" e riconosciuto quale iniziatore della filosofia, nonché primo astronomo dell'antichità. Talete osserva che l'ambra, strofinata con altra sostanza in grado di riscaldarsi, acquista la singolare proprietà di attirare piccoli, leggerissimi oggetti, e dal nome greco dell'ambra, "electron" questa sua proprietà verrà poi denominata "elettricità".

L'elettrizzazione

Come è possibile elettrizzare, ossia dare a dei corpi delle cariche elettriche? In tre modi:

elettrizzazione per strofinio

elettrizzazione per contatto

elettrizzazione per induzione

Elettrizzazione per strofinio Risaliamo all'anno 1600, quando il medico della Regina Elisabetta e filosofo naturale William Gilbert pubblica l'opera "De Magnete", composta da sei libri, che è un'indagine molto accurata, per quei tempi, sui fenomeni elettrici e magnetici. Le principali scoperte che scaturiscono dai suoi studi ed esperimenti, condotti sempre con puntigliosa perseveranza, possono essere così riassunte:

netta distinzione fra attrazione elettrica e magnetica, spiegata con la sua "teoria degli effluvi", secondo la quale il magnetismo è costituito da un fluido immateriale, mentre l'elettricità non è altro che un fluido materiale, che si evidenzia nei poli, ma anche in tutti i punti della superficie;

oltre all'ambra, altri materiali dovevano essere considerati come corpi elettrizzabili, come il vetro, la ceralacca, lo zolfo, esclusi tutti i metalli.

Secondo la sua teoria lo strofinio provocava sul corpo elettrico degli "effluvi", i quali, ritornando al corpo, attraevano i piccoli e leggeri oggetti posti nelle immediate

4

vicinanze; egli paragona il fenomeno elettrico a quello di capillarità dell'acqua, dove piccoli corpi galleggianti possono essere attirati a seguito della tensione superficiale del liquido. Questa teoria appare ancora primitiva, ma ha la sua importanza, perché cerca di dare una spiegazione scientifica dei fenomeni elettrici, svincolandosi dalle bizzarre e fantasiose teorie allora in voga. Oggi invece, come avrete anche appreso a scuola, possiamo dare una ben diversa spiegazione sull'elettrizzazione per strofinio. Sappiamo che oltre all'ambra, altre sostanze, come vetro, resina, ceralacca, se strofinate, possono acquistare uno stato elettrico ed esercitare azioni di attrazione o di repulsione; ad esempio, un bastoncino di vetro ed uno di ebanite, strofinati entrambi con un panno di lana, si attirano, mentre due bastoncini di vetro, pure elettrizzati, si respingono. La spiegazione, alla luce delle conoscenze odierne, è abbastanza semplice: lo stato di equilibrio elettrico degli atomi dei corpi strofinati è stato variato, poiché l'energia sviluppata nell'operazione di strofinio ha letteralmente "strappato" alcuni elettroni, che, ricordiamo, hanno carica elettrica negativa, dagli atomi della lana e li ha deposti sull'ebanite che così, per eccesso di elettroni, si è caricata negativamente. Il bastoncino di vetro, invece, si è comportato in modo opposto, cedendo elettroni alla lana e caricandosi quindi positivamente. Quindi due bastoncini di ebanite, carichi entrambi negativamente, si respingono, come si respingono due bastoncini di vetro, carichi positivamente, ma l'ebanite attrae il vetro, essendo di segno contrario. Tutti noi abbiamo sperimentato l'elettrizzazione per strofinio e la presenza di elettricità statica, quindi di cariche elettriche soprattutto quando l'aria è secca, meno conduttrice di quella umida che favorisce la dispersione delle cariche. Quando ci sfiliamo una maglietta spesso sentiamo un crepitio e a volte vediamo delle piccole scintille, perché lo strofinio della lana sul nostro corpo ha originato cariche elettriche che poi si disperdono a terra lungo il nostro corpo.

Elettrizzazione per contatto La trasmissione dell'elettricità statica avviene anche per contatto, passando da un corpo carico ad uno scarico, e caricandolo dello stesso segno. Il fisico inglese Stephen Gray è stato il primo ad effettuare esperimenti, nel 1728, per cercare di stabilire se la proprietà elettrica di un tubo di vetro, elettrizzato per strofinio, poteva trasmettersi a corpi vicini. Ricordiamo che il fisico inglese F.Hawksbee (1666-1713) fu il primo a diffondere, nel 1706, nelle ricerche di elettrologia, l'impiego del bastone di vetro, elettrizzato per strofinio con un panno di lana. Gray inizia i suoi esperimenti con un tubo di vetro, chiuso alle sue estremità con due turaccioli, poi con un solo turacciolo e, all'altra estremità, con una verga di abete avente in testa una sferetta di avorio; ripete fino alla nausea, con inesauribile testardaggine e perseveranza, gli esperimenti, variando la lunghezza della verga, sostituendo la sferetta di avorio con altre in argento, rame, ferro, oro e così via. Alla fine giunge alla conclusione che la proprietà elettrica del tubo di vetro si diffondeva per tutti questi corpi, almeno, data la limitata disponibilità di spazio del suo ambiente domestico, per la distanza intercorrente fra il balcone ed il cortile della sua abitazione. Infatti se elettrizziamo, strofinandolo, un bastoncino di vetro, che si carica positivamente (+), e lo mettiamo in contatto con delle palline di sughero sospese a dei fili, vediamo che le palline si respingono fra di loro e si allontanano, essendosi caricate anch'esse dello stesso segno (+).

5

I pendolini si respingono perché sono tutti caricati positivamente

Elettrizzazione per induzione Il fenomeno dell'induzione elettrostatica è stato scoperto nel 1729 sempre dallo scienziato inglese Stephen Gray, a conclusione dei suoi esperimenti con i quali aveva provato che l'elettricità si trasmetteva per contatto. Gray non sa però vedere una distinzione fra il fenomeno di conduzione, ossia il passaggio dell'elettricità per contatto da un corpo all'altro, e quello di induzione, ritenendo che esistesse un unico fenomeno che dimostrava soltanto la trasmissione dell'elettricità: solo nel 1759 il fisico tedesco U.T. Aepinus arriverà a questa distinzione. Ponendo un corpo elettricamente carico in prossimità di un conduttore isolato, questo assumerà, nella parte più vicina al corpo carico, una carica di segno contrario a quella del corpo e, nella parte più lontana, una carica di segno eguale a quella del corpo. Se, ad esempio, il corpo è carico positivamente, quindi con difetto di elettroni, la sua carica positiva latente è respinta nel conduttore isolato, con un fenomeno di addensamento nella zona più lontana, e di impoverimento in quella più vicina.

Carica di un corpo conduttore mediante induzione elettrostatica: la bacchetta di ebanite B, carica negativamente, carica per induzione la sfera S sostenuta da supporto isolante.

ISOLANTI E CONDUTTORI

La classificazione dei materiali in isolanti e conduttori è data dalla loro maggiore o minore capacità di "condurre" l'elettricità. I materiali che trasmettono meglio l'elettricità sono i materiali "conduttori", come i metalli, ma anche il carbone, o il nostro stesso corpo, mentre i materiali isolanti non possono trasmetterla, ma solo trattenerla. Oggi sappiamo che i materiali isolanti, come le resine, lo zolfo, il vetro, la seta, la gommalacca, la mica, e loro composti, o gli oli, non trasmettono l'elettricità perché i

6

nuclei e gli elettroni dei loro atomi non possono variare il loro stato di equilibrio elettrico. Negli atomi delle sostanze metalliche sono presenti i cosiddetti "elettroni liberi", ossia elettroni che si muovono indipendentemente uno dall'altro sulla superficie del metallo. Questi elettroni liberi si muovono poco nei materiali isolanti, e invece molto velocemente nei materiali conduttori, come i metalli; ad esempio in ogni atomo dei metalli alcalini vi è un elettrone libero, nell'atomo dell'alluminio ve ne sono invece tre, essendo l'alluminio un buon conduttore, e così via.

La conducibilità o conduttività La diversa attitudine che i vari materiali conduttori presentano a lasciare passare la corrente elettrica, è espressa dalla "conducibilità" (o "conduttività"), che viene misurata in siemens al metro (S/m). Attribuendo a 100 la migliore conducibilità (quella dell'argento) si ha la seguente tabella delle conducibilità dei più noti materiali:

Argento 100 Rame 98 Oro 75 Alluminio 61 Magnesio 39 Sodio 36 Tungsteno 31 Potassio 24 Ferro 16

Nel 1911 H.K.Onnes scoprì che in alcuni metalli, leghe e composti chimici, a temperature molto basse, la resistenza elettrica si annulla; tali materiali sono stati chiamati "superconduttori", e la loro particolarità "superconduttività".

SERIE TRIBOELETTRICA

Per una maggiore documentazione si riportano qui sotto le caratteristiche triboelettriche di alcuni materiali:

POSITIVO Mani Amianto Pelliccia di coniglio Vetro Mica Capelli umani Nylon Lana Pelo Piombo Seta Alluminio Carta Cotone NEUTRO Acciao Legno Ambra Ceralacca Gomma Nickel Ottone, Argento

7

Oro, Platino Zolfo Acetato, Rayon Fibre di poliestere Polistirolo Orlon Saran Poliuretano Polietilene Poliproplene Vinile (PVC) Silicone Teflon

NEGATIVO

I FULMINI

I temporali sono sempre creati da condizioni di instabilità atmosferica. Quando l'aria di una porzione di atmosfera è più calda di quella delle zone circostanti, essa sale verso l'alto (come un palloncino!), raffreddandosi. Se il raffreddamento è tale da rendere tale porzione di aria più fredda dell'aria che essa incontra alle quote superiori, la sua salita viene arrestata, il movimento viene invertito e siamo in condizioni di stabilità atmosferica. Se invece essa continua ad incontrare aria più fredda, sale ancora fino a quote notevoli, siamo in condizioni di instabilità atmosferica e può formarsi il temporale. Nel temporale di calore, porzioni di aria molto calde ed umide si staccano da particolari zone della pianura e salgono fino a notevoli altezze, innescando il meccanismo del temporale. Esse sono note come "bolle di calore" o "termiche". Meccanismi similari consentono la formazione di correnti ascensionali nei temporali indotti da fronte freddo. L'afflusso continuo di termiche alimenta lo sviluppo delle nubi temporalesche. Dato che lo sviluppo delle termiche è un fenomeno diurno, la maggiore probabilità di scoppio del temporale da calore si ha nel pomeriggio. Un forte moto ascensionale dell'aria umida provoca, per raffreddamento e condensazione, la formazione dei cumulonembi (nubi a sviluppo verticale e forma di incudine o cavolfiore), oltre che forti differenze di potenziale elettrico tra punti diversi dell'atmosfera (fig. 1).

8

La maturità del cumulonembo si ha quando la parte culminante dell'incudine diventa sfrangiata e cessa di essere netta e tondeggiante. Se l'aria non è abbastanza umida, le nubi ed il temporale non si formano e si parla di "termica blu", molto sfruttata dagli uccelli e nel volo a vela. Le differenze di potenziale elettrico hanno la seguente origine: le goccioline d'acqua e le particelle di ghiaccio presenti nella nube subiscono un forte attrito con l'aria quando si muovono, a causa delle correnti ascensionali e delle forti turbolenze dell'atmosfera. In questo modo esse si caricano elettricamente per sfregamento (triboelettricità), le particelle più piccole positivamente e quelle più grandi negativamente; la parte superiore delle nubi si carica positivamente rispetto alla parte inferiore e questa negativamente rispetto alla terra. Le differenze di potenziale create sono anche di 20 milioni di volt. Si innescano così scariche elettriche sotto forma di fulmini, tra nube e nube, tra parti di una stessa nube e tra nubi e terra. Le scariche hanno durata complessiva di alcuni centesimi di secondo ed una potenza elettrica di ciascun picco di potenza (della durata di soli 30 milionesimi di secondo) pari a circa un milione di Megawatt. L'alta temperatura dell'aria intorno al fulmine (anche 20.000 0C, molto di più della temperatura superficiale del sole) genera una sua espansione esplosiva, responsabile dello spostamento d'aria (onda d'urto) e del tuono. La distanza di un fulmine dall'osservatore può essere così stimata: la velocità di propagazione del suono è di circa 330 metri al secondo, quella della luce è di 300.000 Km al secondo, praticamente istantanea rispetto alla prima. Ogni secondo che passa tra lampo e tuono corrisponde a 330 metri di distanza e dividendo per tre il tempo in secondi che intercorre tra lampo e tuono abbiamo la distanza approssimativa del fulmine in Km. Se non si fa in tempo a dire "uno", la folgore è caduta a meno di 330 metri da noi e la faccenda è molto seria! Il tuono può essere udito in campo aperto fino ad una distanza massima di 10 -15 km. I cumulonembi possono formarsi a partire da cumuli normali in tempi anche abbastanza brevi (15 - 20 minuti) ed il temporale si può muovere in direzione orizzontale con velocità dell'ordine di 40 km/h.

I PALLONCINII PALLONCINII PALLONCINII PALLONCINI

Utilizzando comuni palloncini di gomma è possibile realizzare diverse interessanti esperienze triboelettriche. Oltretutto, giocare con i palloncini è molto divertente.

MATERIALE NECESSARIO :

palloncini di gomma gonfiabili

la capigliatura dei presenti (o maglioni di lana o pile)

filo sottile

una lattina di bibita vuota

9

Il filo deve essere sottile per pesare il meno

possibile. La lattina deve essere più leggera possibile

ESPERIENZA n°1 I PALLONCINI "ANTIGRAVITAZIONALI"

Sfregare il palloncino sui capelli (o sul maglione) di una persona, in modo da caricare una buona superficie dello stesso.

Appoggiare il palloncino su di una superficie verticale (che non sia di un materiale conduttore). Le cariche del palloncino e quelle della superficie di appoggio si attraggono e il palloncino stazionerà nella posizione in cui lo avremo messo. In questo modo è anche possibile creare vere e proprie scritte, o disegni, "appiccicate" magicamente sul muro....

10

ESPERIENZA N° 2ESPERIENZA N° 2ESPERIENZA N° 2ESPERIENZA N° 2 LA "COR LA "COR LA "COR LA "CORSA DELLE LATTINE"SA DELLE LATTINE"SA DELLE LATTINE"SA DELLE LATTINE"

Sfregare il palloncino sui capelli di una persona o su un maglione di lana o di pile, in modo da caricare una buona superficie dello stesso.

Avvicinare il palloncino alla lattina in modo che le cariche si attirino (non toccare la lattina con il palloncino). La lattina si muoverà verso il palloncino.

ESPERIENZA N° 3 PALLONCINI REPULSIVI

Gonfiare i palloncini e legarli con un filo lasciandoli penzolare. I due palloncini si si toccano.

11

Strofinare i palloncini con lo stesso tipo di materiale (capelli, lana, pile....) sulla superficie più vasta possibile e lasciarli penzolare.

I palloncini strofinati posseggono lo stesso tipo di carica e le cariche di segno uguale si respingono. Per questo motivo i palloncini non si toccano.

12

ELETTROSCOPIOELETTROSCOPIOELETTROSCOPIOELETTROSCOPIO

L’'elettroscopio è uno strumento che serve a evidenziare se un corpo è carico elettricamente. E' formato da un'asta di metallo con una sfera (o un anello) ad una estremità e due sottili foglioline d'oro (o altro metallo buon conduttore) all'altra. L'asta è inserita in un contenitore trasparente da cui sporge l'estremità sferica..

E' possibile autocostruire con materiale di recupero un elettroscopio perfettamente funzionante.

MATERIALE NECESSARIO:

un barattolo di plastica trasparente o vetro con coperchio

un pezzo di cavo elettrico

due striscioline di Domopak alluminio

COME COSTRUIRLO:

spelare il filo elettrico alle due estremità per un tratto abbastanza lungo

13

intrecciare il filo ad una estremità e formare un anello

piegare a doppio uncino i fili all'altra estremità

preparare due striscioline di Domopak e forarle ad una estremità

appendere le striscioline ai due uncini, in modo che siano abbastanza vicine e possano liberamente muoversi

forare il tappo del barattolo e farvi passare il filo

Ecco due modelli di elettroscopio finiti:

il modello "barattolo di marmellata" e il modello "contenitore di cottonfioc"

14

Volenterosi costruttori di elettroscopi fatti in casa al lavoro....

FUNZIONAMENTO DELL'ELETTROSCOPIO

Occorre avere un corpo caricato per strofinio (una bacchetta di vetro, un tubo di plastica, il corpo di plastica di una penna biro, un palloncino gonfiabile....).

Un ottimo e potente generatore elettrostatico può essere costruito con un tubo di PVC e uno straccio di cotone avvolto intorno.

Il movimento delle foglioline dell'elettroscopio può essere causato in due modi:

1. per contatto (toccando l'estremità ad anello dell'elettroscopio con il corpo strofinato)

2. per induzione (avvicinando, senza toccarlo, il corpo carico all'estremità ad anello dell'elettroscopio)

Nel primo caso le cariche elettriche passano dal corpo carico al conduttore dell'elettroscopio e quindi alle foglioline; le cariche di segno uguale si respingono e le foglioline si divaricano e restano distanziate tra di loro.

15

Nel secondo caso le cariche presenti nel corpo strofinato attirano le cariche di segno opposto del conduttore dell'elettroscopio verso l'anello superiore, le cariche di segno uguale si raccolgono nelle foglioline che divergono fino a che allontaniamo il corpo carico e le cariche del conduttore dell'elettroscopio tornano a mescolarsi, a questo punto le foglioline si riavvicinano.

CAMPANELLO ELETTROSTATICOCAMPANELLO ELETTROSTATICOCAMPANELLO ELETTROSTATICOCAMPANELLO ELETTROSTATICO

Sfruttando un generatore elettrostatico, un pennarello e due lattine è possibile costruire il "campanello" di Benjamin Franklin. Lo scienziato americano l'aveva costruito per essere avvertito dell'imminenza di un fulmine sfruttando la diversità di potenziale elettrico tra il suolo e l'aria.

MATERIALE OCCORRENTE:

Due lattine da bibita

Un pennarello, filo sottile, la linguetta dell'apertura a strappo della lattina

16

Generatore elettrostatico a TV

MONTAGGIO DEL "CAMPANELLO DI FRANKLIN":

Fissare la linguetta a strappo a metà del pennarello con una strisciolina di nastro adesivo;

appoggiare il pennarello tra le due lattine;

Collegare con un cavo elettrico una lattina al generatore elettrostatico a TV e l'altra con un cavo elettrico ad un termosifone per la presa a terra.

Ecco il "campanello di Franklin" al lavoro:

.... MA COME FUNZIONA?

1. le due lattine hanno carica elettrica opposta e anche il "pendolo" possiede una sua carica iniziale,

17

2. il "pendolo" viene attratto verso la lattina che ha, in quell'istante, una carica opposta alla sua,

3. la tocca, viene caricato per contatto della medesima carica e quindi viene respinto,

4. si avvicina alla lattina opposta.... e tutto ricomincia di seguito.

Se la carica fornita dal generatore è elevata, si possono osservare, all'avvio, notevole blu

MULINELLO ELETTROSTATICOMULINELLO ELETTROSTATICOMULINELLO ELETTROSTATICOMULINELLO ELETTROSTATICO

La concentrazione di cariche elettriche è particolarmente evidente in prossimità di oggetti conduttori di forma appuntita. E' per questa ragione che i parafulmini sono a punta.

Si può sfruttare l'effetto "punte" per costruire un mulinello elettrostatico.

MATERIALE NECESSARIO:

Un bicchiere di plastica, un piatto di plastica, una biro, due graffette da ufficio, due lattine, una striscia di Domopak, spezzoni di cavo elettrico e colla vinilica.

Generatore elettrostatico a TV

18

MONTAGGIO DEL "MULINELLO ELETTROSTATICO":

Rivestire di stagnola il bicchiere di plastica in modo da formare molte strisce intervallate da spazi vuoti.

Aprire le graffette da ufficio e fissarle con nastro adesivo al fianco di ciascuna lattina.

Incollare la biro al centro del piatto come sostegno per il bicchiere, fissare le due lattine ai lati del piatto di plastica

Montare il tutto come in figura,

collegare una lattina con il cavo elettrico al "generatore a TV" e l'altra al termosifone come presa a terra.

19

Ecco il mulinello elettrico in funzione:

.... MA COME FUNZIONA?

L'accumulo delle cariche elettriche opposte sulle punte dei fermagli genera una specie di "vento elettrico" che, per induzione, "spinge" sulle parti di stagnola del bicchiere "rotore", il susseguirsi delle spinte pone in rotazione il bicchiere. Occorre qualche tentativo per posizionare le punte ad una distanza efficace dal rotore e qualche accorgimento per far sì che l'attrito tra la punta della biro e il bicchiere sia il minimo possibile.

ELETTRICITÀELETTRICITÀELETTRICITÀELETTRICITÀ

In questa serie di esperienze verranno affrontati i concetti di corrente elettrica, circuito elettrico, materiali conduttori e non conduttori, resistenza e misure elettriche.

Correnti elettriche

Ciò che chiamiamo "corrente elettrica" è uno spostamento di elettroni all'interno di un corpo.

Un corpo capace di trasportare cariche elettriche si dice “conduttore” altrimenti è chiamato “isolante”; generalmente i corpi non sono conduttori o isolanti perfetti.

I conduttori tipici sono i metalli (noi ci limiteremo a questi), gli isolanti più comuni sono: plastica, gomma, legno secco, vetro.

La capacità di un corpo di trasportare cariche elettriche prende il nome di “conduttanza”, il suo inverso “resistenza” (R).

In un metallo la conduzione elettrica avviene tramite spostamento di elettroni; il trasporto di cariche in un conduttore prende il nome di “corrente” (I) (carica trasportata/tempo).

20

Il prodotto corrente per resistenza prende il nome di tensione (V)

Quindi: V = R * I (legge di Ohm)

Questo non vale sempre in assoluto, ma per i metalli sicuramente.

La “potenza” W (energia /tempo) trasportata da un conduttore e’:

W = V * I

Le unità di misura sono:

Tensione: Volt (V)

corrente: Ampere (A)

resistenza: Ohm (ΩΩΩΩ)

potenza: Watt (W)

Per acquistare familiarità con queste unità di misura, consideriamo i seguenti esempi:

la tensione della rete domestica e’ 220 V,

quella di una pila 1.5 V,

l’accumulatore dell’automobile 12 V

quella ottenuta con gli esperimenti di elettrostatica 1000 – 10000 V (1 – 10 kV)

la corrente che fluisce in un lampadina domestica (incandescenza) da 100 W: circa 0.5 A

la resistenza fra le mani : 500000 – 1000000 Ω (5 105 – 1 106 Ω) (500 k Ω – 1 M Ω )

La potenza assorbita da un ferro da stiro: circa 1000 W (1 kW)

21

CIRCUITO SEMPLICECIRCUITO SEMPLICECIRCUITO SEMPLICECIRCUITO SEMPLICE

Il primo circuito da provare è un circuito composto da una batteria e una lampadina.

MATERIALE:

una batteria quadrata da 4,5 volt

una lampadina da bicicletta

un portalampadine

ESPERIENZA:

si invitano semplicemente gli alunni a cercare di provare tutti i modi per accendere la lampadina.

Durante l'esperienza si scoprirà che basta semplicemente appoggiare i piedi del portalampadine sui becchi di contatto della batteria. Non importa il verso.

Le cariche elettriche viaggiano da un polo della batteria all'altro (dal negativo al positivo), passando attraverso i piedi del portalampadine e il filamento della lampadina. Vi è una corrente di elettroni.

Fare eventualmente notare l'aumento di temperatura del bulbo della lampadina.

Il circuito è chiuso perché le cariche elettriche lo possono percorrere senza interruzioni.

22

CONDUTTORICONDUTTORICONDUTTORICONDUTTORI

A questo punto occorrerà compiere una breve serie di esperienze per verificare quali materiali lasciano passare agevolmente la corrente elettrica e quali invece oppongono resistenza (parziale o totale).

Si tratta di sperimentare un semplice circuito in cui posizionare diversi materiali tra la batteria e la lampadina. In questo caso l'accensione della lampadina sarà il segnale che il materiale lascia passare corrente.

MATERIALE OCCORRENTE:

Batteria da 4,5 volt

lampadina da bicicletta con portalampadine

interruttore

legno, carta, plastica, metallo, gomma.

Inserendo un materiale conduttore (tipicamente un metallo) si vedrà accendersi la lampadina, segno che il materiale utilizzato è buon conduttore di corrente.

23

Nello schema a fianco si può vedere come le cariche passino attraverso il materiale sperimentato e la lampadina si accenda.

Inserendo nel circuito un materiale non conduttore la lampadina non si accende, segno che il circuito è interrotto perché la corrente non riesce a passare attraverso il materiale sperimentato.

Nello schema a fianco si può vedere come le cariche non passino attraverso il materiale sperimentato e la lampadina non si accenda.

Vi sono casi in cui il materiale lascia passare meno facilmente la corrente elettrica perché oppone una maggiore resistenza. Si può ben evidenziare questo fenomeno nella seguente esperienza:

24

MATERIALE NECESSARIO:

lampadina e portalampadina batteria da 4,5 volts morsetti a coccodrillo mina di grafite

Se i morsetti sono in posizione ravvicinata sulla mina di grafite la resistenza è minore e la luminosità della lampadina è maggiore.

Se i morsetti sono più distanti sulla grafite la resistenza è maggiore e la luminosità della lampadina è minore.

25

CIRCUITO PARALLELOCIRCUITO PARALLELOCIRCUITO PARALLELOCIRCUITO PARALLELO

In questa esperienza costruiremo un certo tipo di circuito elettrico chiamato "circuito in parallelo" e sperimenteremo le sue proprietà.

MATERIALE OCCORRENTE:

Due lampadine da bicicletta con portalampadine

spezzoni di fili elettrici

batteria da 4,5 Volt

In questo circuito sono accese entrambe le lampadine, fare notare bene come sono collegate.

Nello schema si nota bene come le cariche elettriche possano percorrere tutto il circuito.

26

Se tolgo una lampadina (a scelta) dal circuito l'altra resta accesa.

Nello schema si nota quale sia il circuito percorso dalle cariche elettriche.

27

CIRCUITO IN SERIECIRCUITO IN SERIECIRCUITO IN SERIECIRCUITO IN SERIE

In questo esperimento proveremo a fabbricare un "circuito in serie" e vedremo quali sono la differenze dal "circuito in parallelo".

MATERIALE OCCORRENTE:

Due lampadine da bicicletta con portalampadine

spezzoni di fili elettrici

batteria da 4,5 Volt

In questo modo entrambe la lampadine sono accese. Fare notare bene in che modo siano connessi i collegamenti.

Nello schema si nota bene quale sia il circuito percorso dalla corrente elettrica.

28

Togliendo una lampadina (a scelta) in questo circuito anche l'altra si spegne ( a differenza di quello che accadeva nel circuito in parallelo).

Nello schema si nota bene che il circuito è aperto e le cariche non possono percorrerlo.

BREVE STORIA DELL’ELETTROMAGNETISMOBREVE STORIA DELL’ELETTROMAGNETISMOBREVE STORIA DELL’ELETTROMAGNETISMOBREVE STORIA DELL’ELETTROMAGNETISMO

I magneti ai primordi della cultura scientifica vennero considerati “pietre viventi”. Dell’elettricità (dal greco antico “elektron=ambra”) nella antichità si sapeva poco più del fatto che l’ambra ed anche i vetri se strofinati con un panno di lana producevano scariche elettriche.

Plinio il Vecchio (23-79 D.C.) nel Libro di Storia Naturale, narra che il nome Magnete proviene dal pastore Cretese di nome “Magnes “ il quale adoperando un il suo bastone con la punta di ferro, scopri la proprietà di attrazione e repulsione di alcune pietre che furono chiamate magnetiche. Tali pietre oggi sappiamo contengono la magnetite, un magnete naturale composto di ossidi di ferro (FeO-Fe2O3 - magnetite).

Si ha notizia che anche le antiche culture alchemiche della Cina e dell’India conoscevano le proprietà magnetiche prima della cultura filosofico-scientifica della Magna Grecia, ed inoltre che erano anche conosciute le proprietà di “induzione magnetica”, che si ottengono per contatto di un magnete naturale con un pezzo di ferro; in quanto quest’ultimo temporaneamente assume le proprietà magnetiche. Archimede (287-212 A.C.) cercò di

29

utilizzare le proprietà di induzione magnetica, magnetizzando le spade dei soldati della sua città (Siracusa) per disarmare più facilmente i nemici (almeno così racconta il mito).

L’interpretazione del magnetimo per millenni è rimasta intrisa di riferimenti cognitivi di indole “antropomorfica- vitalistica”. Nell’ antica Cina già da circa 4500 anni fa' il fenomeno del magnetismo, venne correlato al dinamismo universale delle forze vitali descritte dal simbolismo della dicotomia YIN//YANG (maschile/femminile), ed in sostanza tale spiegazione delle proprietà di attrazione/repulsione tra le polarità magnetiche, fu considerata un anello interpretativo tra le relazioni evolutive tra materia inanimata e materia animata.

La virtù di attrarre o respingere di un magnete permanente, in presenza di altre sostanze, ebbe nell’ antichità spiegazioni di riferimento animistico fino all’insorgere della scienza moderna.

Spiegare infatti significa correlare un evento in un quadro di preconcezioni generali storicamente affermate.

Pertanto la natura della attrazione magnetica, in mancanza di una spiegazione scientifica, dette luogo a molte superstizioni utilizzate spesso in campo medico, per interpretare proprietà di contaminazione di effluvi funesti e nell’ attribuzione di attrazioni fatali nell’ambito della preveggenza del destino dell’ uomo.

Durante il Medio Evo la “Santa Inquisizione”, condannò ogni riferimento a forze misteriose e magiche di indole magnetica nella spiegazione delle leggi che agiscono sulla struttura dell’ universo.

Ciononostante agli inizi del rinascimento un frate italiano Petrus Peregrinus scrisse (1269) una Epistola sulle proprietà dei dipoli magnetici ricercando la possibilità di attuare il “moto perpetuo” facendo uso di forze magnetiche, egli , per i suoi studi sul magnetismo, realizzò un modello sferico di magnetite denominato “terrella”.

Cecco d’Ascoli, docente all’ Università di Bologna , fu bruciato vivo, come eretico a Firenze nel 1327 perché ricercava un determinismo della interpretazione degli eventi, facendo riferimento a forze invisibili di indole magnetica; egli ad esempio attribuì alla forza magnetica della Luna la oscillazione delle maree, sbagliando perché la luna non possiede un forte campo magnetico, ma indicando giustamente nella Luna la sua capacità di attrazione delle masse di acqua del mare, che dà origine al fenomeno delle maree.

Ancora per molti anni il magnetismo fu considerato un curioso fenomeno naturale: Galileo Galilei (1564-1642) ottenne le magnetiti dalle miniere ferrose dell’ Elba, e studiò le “calamite” (magneti coniati forma di U con i poli nord e sud separati), principalmente per studi tecnici della loro potenza nel sollevare pesi di ferro.

Fu soltanto nel 1600, che il medico inglese William Gilbert (1544-1603), considerato il padre del magnetismo, scrisse il Libro intitolato “De Magnete” in cui per primo intuì la correlazione tra forze magnetiche e forze elettriche, esprimendo l’ insieme come elettromagnetismo. W. Gilbert costruì anch’egli una sfera di magnetite “terrella”, come già

30

aveva fatto Petrus Peregrinus, ad immagine del Globo Terrestre, e delineò, facendo riferimento a tale modello, le linee di forza del campo magnetico terrestre.

Oggi similmente a quanto descritto da Gilbert si ritiene che il centro della terra sia composto di materiali ferrosi (ed anche di cobalto e di nichel) allo stato fuso; questi liquidi risentono della rotazione terrestre generando delle correnti elettromagnetiche, che formano un asse dipolare tra il Polo Nord ed il Polo Sud; pertanto la bussola (denominata anche “ compasso magnetico), orienta per rotazione la punta dell’ago magnetizzato verso il polo magnetico terrestre dove si trova più prossima.

Un seguace di W. Gilbert fu l’ americano Benjamin Franklin (1706-1790), sviluppò la teoria del “fluido elettrico” e, per dimostrare che anche i fulmini erano generati da correnti elettriche che scoccano tra cariche positive e negative originatesi per attrito tra l’atmosfera e la terra o tra diversi strati di nubi, inventò il “parafulmini”, dimostrando che le correnti elettriche più spaventose, un tempo immaginate in mano al potere del dio Giove dell’ Olimpo, potevano essere convogliate e direzionate a piacimento dalle conoscenze dell’ uomo..

Ma anche tali esperimenti sembravano ai più ancora magici; infatti ancora persisteva una logica vitalistica nella scienza. Tale concettualità di base si esaurì definitivamente nella scienza, in seguito alla disputa tra Galvani professore di medicina alla Università di Bologna e Volta professore di fisica e chimica alla Università di Pavia.

Il medico bolognese Luigi Galvani (1737-1798) sperimentò l’azione della corrente elettrica su una zampa di rana ed osservò che essa si contraeva al passaggio delle corrente; pertanto suppose che la contrazione fosse imputabile al magnetismo animale.

Di parere contrario a tale spiegazione fu il fisico di Como, Alessandro Volta (1745-1827), il quale sostenne che le contrazioni erano causate da una differenza di potenziale elettrico estrinseca al corpo animale, originata dai contatti tra metalli diversi dei fili metallici con cui Galvani collegava la zampa della rana per tenerla distesa.

Convinto di ciò, Volta costruì la “Pila bimetallica”, che descrisse in una memoria epistolare datata 20 marzo del 1800.

31

La scoperta della “Pila” è da considerarsi una pietra miliare dello sviluppo della scienza, in quanto dette nuove possibilità di interpretazione e di successiva utilizzazione industriale della elettricità. In suo onore la misura dell’ unità di potenziale elettrico venne denominata “Volt”.

Colui che dette un fondamento matematico alla elettrostatica fu l’ingegnere francese Charles-Augustin De Coulomb (1736-1806). Egli studiò le leggi dell’ attrito elettrostatico e costruì una bilancia elettrica (1785) ed una bilancia magnetica (1789) di torsione, cioè dei dispositivi sperimentali che misurano la torsione di un filo elastico sottoposto alle forze elettrostatiche che si originano tra lamine caricate positivamente e negativamente o tra opposte polarità magnetiche. In suo onore la misura della quantità di corrente al secondo è stata denominata “Coulomb”.

La Pila di Volta e gli studi del fisico danese Hans Cristian Oersted (1777-1851) sulle interazioni tra correnti elettriche e magnetiche, ottenute misurando come una corrente elettrica influenzi la rotazione dell’ ago di una bussola, interessarono gli studi di elettochimica di due chimici inglesi, Humpry Davy (1778-1829) e del suo giovane assistente autodidatta, Michael Faraday (1791-1867; essi studiarono le applicazioni delle elettrolisi per separare i metalli puri dai loro composti disciolti in acqua o resi liquidi per fusione. In particolare Faraday dopo aver aver studiato le interazioni magnetiche di molte sostanze e scoperto che tutte quante sono più o meno sono attratte (sostanze Paramagnetiche e Ferromagnetiche) o respinte (sostanze Diamagnetiche) da un magnete permanente ( Sostanza Ferrimagnetica), formulò il concetto di “linee di forza di un campo elettromagnetico”, dando spiegazione dell’ azione propagata nello spazio da un magnete permanente, che determina l’ induzione di polarità opposte indotte a distanza in varie altre sostanze.

Faraday dimostrò inoltre (1831) che il movimento di un magnete entro un avvolgimento elettrico induceva per mutua induzione una variazione della corrente elettrica; scoperta che in seguito, nel 1865, dette l’idea ad Antonio Pacinotti, (1841-1912) Professore di Fisica all’Università di Pisa, della costruzione della “dinamo”, poi brevettata e perfezionata dal meccanico belga Zenobe Gramme (1826-1901).

Nel XIX secolo le scoperte sull’ elettricità ed il magnetismo e le loro applicazioni industriali si susseguirono rapidamente.

Il chimico-fisico-matematico , francese autodidatta, Andrè Marie Ampere (1775-1836) dopo appena una settimana dall’ aver ascoltato una conferenza di Oersted a Copenhagen , sperimentò che correnti parallele si attraggono l’ un l’ altra, come se fossero magnetizzate. Ampere formulò matematicamente le sue scoperte sulla elettrodinamica; in suo onore la unità di misura della corrente elettrica venne chiamata “Ampere”: per definizione 1 Ampere equivale alla corrente che è necessaria per depositare all’ elettrodo la quantità di 0,001118 grammi al secondo di argento , quando la corrente passa attraverso una soluzione elettrochimica di nitrato di argento.

Colui che riorganizzò sistematicamente il vasto insieme di conoscenze dei fenomeni elettro magnetici fu il fisico tedesco, insegnante di scuola secondaria, Georg Simon Ohm (1789-1854) che riassunse nella “legge di OHM” (1827) schematicamente indicata dalla relazione <V=RI>, la quale dice che il Voltaggio (V) è proporzionale alla Intensità di Corrente (I) per la esistenza del mezzo (R) . In suo onore la unità di “Resistenza elettrica” è stata chiamata “Ohm” e corrisponde alla costante di proporzionalità <R= V / I>, che si

32

calcola quando un conduttore viene sottoposto alla differenza di potenziale di un Volt ed è attraversato dalla corrente di un Ampere.

Da allora scoperte tecnologiche e scientifiche si susseguirono a ritmo incalzante.

Nel 1835 l’ insegnante americano di scuola media, Joseph Henry , inventa il “Relè ad induzione magnetica” ; dispositivo che al passaggio della corrente elettrica in un avvolgimento, fa aprire o chiudere l’interruttore di un altro circuito; tale scoperta fu inizialmente utilizzata per costruire campanelli elettrici, ma in vero fu la importante premessa necessaria per la costruzione dei motori elettrici e del telegrafo.

Il 24 maggio 1844 Samuel Morse (1791-1872), inviò il primo messaggio telegrafico tra Washington e Baltimora in USA inoltrando in tempo reale gli impulsi elettrici nell’ alfabeto Morse, che corrispondevano alla la frase biblica “Così ha permesso Dio”.

Nel 1860 l’ abate piemontese Giovanni Caselli (1815-1891) sperimentò il Pantelegrafo; un pantografo a pendolo, che si muoveva scorrendo su una vite senza fine, sopra una lastra di rame in cui scritti e immagini venivano dipinti con un inchiostro isolante cerato; la teletrasmissione veniva realizzata in quanto il pendolo era accoppiato con un “rele” e, per mezzo di un pennello di ferro strisciante sulla lastra di rame, si apriva e chiudeva il circuito elettrico rispettivamente quando veniva a contatto con il metallo e quando toccava l’ inchiostro isolante; cosi venivano trasmessi impulsi elettrici i quali riproducevano a distanza un fax simile del disegno o degli scritti, là dove un sistema ricevente analogo montato con un altro relè accoppiato ad una penna, che si alza e si abbassa, riusciva a riproduce su carta l’ immagine registrata ed inviata come impulsi elettrici dal sistema trasmittente a pendolo. Con tale precursore degli attuali fax l’abate Caselli trasmise il 22 Gennaio 1860 da Parigi a Lione una pagina dello spartito di musica di Gioacchino Rossini.

Nel 1849 il fiorentino Antonio Meucci (1808-1889), autodidatta, allora attrezzista al Teatro dell’ Avana a Cuba, fece i primi esperimenti con telelegrafo parlante; strumento che poi il prof. Alexander Graham Bell (1847-1922) perfezionò e brevettò (il 7 marzo 1876) con il nome attuale di “telefono”, presentandolo alla esposizione mondiale di Filadelfia (USA), ed in seguito commercializzandolo tramite la Bell Telephon System, da lui stesso fondata nel 1877.

Un altro grande inventore e impresario americano Thomas Alva Edison (1847-1931), inventò e brevettò il fonografo a cilindro. Egli cercava un sistema per memorizzare i messaggi telegrafici e scoprì che facendo girare velocemente un disco su cui erano stati incisi i punti e le linee dell’ alfabeto Morse, toccandoli con una punta metallica si udivano delle note, che potevano essere amplificate collegando la punta ad un diaframma magnetico. In tal modo incise e riprodusse per la prima volta come suono l’ inizio di una popolare filastrocca :”Mary had a litlle lamb”.

Nel 1879 T.A. Edison inventò la “lampadina”; comprendendone il valore commerciale, fondò la Edison Electric Light Company, che nel giro di due anni produceva più di 100 mila lampadine all’ anno. Edison assieme al suo assistente Nikola Tesla (1856-1943 -fisico americano di origine croata), progettò anche le prime centrali elettriche a corrente continua, che entrano in funzione, una a Londra (gennaio 1882) e poi l’ altra a New York (settembre 1882). Tesla entrò in conflitto con il suo datore di lavoro, perché preferì progettare centrali

33

elettriche a corrente alternata. Pertanto dette le dimissioni dalla Impresa di Edison e passò ad un’ altra società elettrica la Westinghouse, con cui i costruì e mise in funzione (1891) la prima centrale idroelettrica, convogliando le acque delle cascate del Niagara per azionare motori elettrici, simili a quelli che il fisico piemontese Galileo Ferraris (1847-1897) aveva costruito, sulla base della sua invenzione del “campo magnetico rotante”; invenzione quest’ultima, che fu presentata all'accademia delle Scienze di Torino il 18 marzo 1888 e che G. Ferraris non volle brevettare perché perseguiva l’ idea che la scienza fosse un bene universale.

In vero ormai le invenzioni tecnologiche sospinte dalla crescita economica della industrializzazione della produzione, sembrano sopravanzare gli sviluppi della scienza pura; al contrario scienza e tecnologia ed economia nell’ epoca moderna divengono sempre più un sistema integrato, dove l’ avanzamento di un fronte coinvolge lo sviluppo dell’ altro e viceversa.

Una pietra miliare dei fondamenti cognitivi dell’ elettrodinamica è da attribuirsi al fisico tedesco Rudolf Henrish Hertz (1857-1894), che il 13 novembre 1886, dimostrò che era possibile trasmettere onde elettromagneriche a distanza accordando per risonanza le frequenze delle onde elettromagnetiche emesse generatori. Egli sperimentò più volte questa possibilità con un oscillatore armonico di sua invenzione a distanze di laboratorio (tra uno e due metri) e tale scoperta è stata il fondamento della telegrafia senza fili e della radio inventate in seguito da Guglielmo Marconi.

L’elettricità fino ad allora, era considerata come fluido di onde elettromagnetiche, ma ancora non si conosceva il fondamento materiale che le generava, fino a che Joseph John Thomson (1856-1940) fisico inglese della Università di Cambridge, nel 1897, scoprì l’ esistenza di una particella sub-atomica di carica negativa, che egli, ricordando il nome dato all’ ambra dagli antichi greci, denominò “elettrone”.

Inizalmente non fu facile credere che l’ atomo che significa “indivisibile” (dal Greco “a” che indica negazione e temno = tagliare), fosse ulteriormente scindibile in altre componenti. J.J. Thomson, misuro anche la carica e la massa dell’ elettrone; quest’ ultima risultò circa 1800 volte minore di quella del nucleo positivo dell’Atomo di Idrogeno.

La scoperta di J.J. Thomson della esistenza di particlle sub-atomiche (elettroni e nuclei), rappresentò una rivoluzione scientifica decisiva che fu premessa primaria di un profondo cambiamento del pensiero scientifico nel XX secolo; J.J.Thompson ottenne il premio Nobel per la Fisica nel 1906.

Una volta giunti alla comprensione, per merito di JJ.Thomson e di un buon numero di altri scienziati, che gli atomi sono composti da corpuscoli sub-atomici , si capì anche che tutti i corpuscoli nel loro movimento di rotazione e vibrazione e traslazione emettono onde elettromagnetiche nello spazio; quest’ ultime possono essere generate appositamente ed anche convogliate da sistemi di ricezione e trasformate in frequenze udibili e visibili da opportuni congegni di trasformazione della energia associata alle vibrazioni delle onde elettromagnetiche.

Ciò è quanto comprese Guglielmo Marconi (1874, Bologna - 1937, Roma), inventore italiano che ottenne il premio Nobel per la Fisica nel 1909, considerato universalmente il padre delle moderne comunicazioni. Egli fu un autodidatta, frequentò a Firenze un istituto tecnico privato, senza conseguire alcun diploma. Fu lettore appassionato di articoli di

34

divulgazione scientifica e conobbe l’opera di Hertz, così che entusiasta di tali conoscenze ed intuizioni, volle sperimentare la trasmissione di segnali a distanza. Fece i primi esperimenti del “telegrafo senza fili”, già nel 1894, nelle adiacenze della villa paterna a Pontecchio vicino a Bologna, utilizzando un relè connesso ad un martelletto per rendere udibili le vibrazioni. Nel 1895 riuscì a inviare segnali alla distanza di un chilometro e mezzo. Non riuscendo a trovare chi sostenesse e brevettasse la sua invenzione in Italia, accettò il consiglio di sua madre che era Irlandese, di andare a Londra da alcuni parenti. In Inghilterra. Dopo aver dimostrato con successo di saper effettuare trasmissioni telegrafiche senza fili ad una distanza di 15 chilometri, riuscì a brevettare la sua invenzione in Inghilterra, chiedendo che dal pagamento delle Royalties fosse esclusa l’Italia. Nel 1900 fondò la Marconìs Wireless Company ed utilizzando onde lunghe collegò (1901) in un ponte radio attraverso l’ Atlantico il porto di Poldhu in Inghilterra con St. John in Terranova . Dopo di ciò fu colmato di onori anche in Italia, gli fu conferita la laurea honoris causa ed in seguito gli fu attribuita la prima Presidenza del Consiglio Nazionale della Ricerche Italiano.

BUSSOLABUSSOLABUSSOLABUSSOLA

In questo esperimento utilizzeremo una bussola come rilevatore di campo magnetico.

La bussola è composta da un materiale magnetizzato, usualmente un ago, che si dispone secondo le linee del campo magnetico terrestre e ne indica i poli. É possibile costruirne una con un ago o uno spillo e una calamita.

Per costruirla occorre semplicemente sfregare l'ago contro una calamita sempre nella stessa direzione, poi si sospende l'ago con un filo (divertitevi a scovare il baricentro) dentro a un vasetto di vetro. In assenza di masse ferrose nelle vicinanze, l'ago magnetizzalo si disporrà secondo l'asse Nord - Sud.

MATERIALE NECESSARIO:

Uno spillo di acciao, filo di refe, una matita o un pennarello come sostegno trasversale, due brattoli di vetro o due sostegni di legno per sorreggere il tutto. (si raccomanda di non porre l'ago magnetizzato in prossimità di masse ferrose o cavi elettrici)

35

Una volta sospeso, l'ago magnetizzato si disporrà in modo da indicare l'asse Nord - Sud.

In questa esperienza l'allineamento dell'ago è causato dall'effetto del campo magnetico terrestre. Nel prossimo esperimento utilizzeremo una bussola, una batteria e del filo elettrico per dimostrare che un filo elettrico percorso da corrente crea un campo magnetico.

MATERIALE OCCORRENTE:

Una batteria quadrata da 4,5 Volt, uno spezzone di cavo elettrico eventualmente munito di morsetti a coccodrillo alle aestremità, una bussola ad ago.

L'esperienza viene condotta nel modo seguente:

Normalmente l'ago della bussola indica l'asse Polo Nord - Polo Sud in base al campo magnetico terrestre (si raccomanda sempre una giusta distanza da eventuali masse ferrose e/o cavi elettrici...)

36

Ma se avviciniamo alla bussola un filo elettrico percorso da corrente, vedremo l'ago deviare...

Posizione dell'ago senza passaggio di corrente...

Deviazione dell'ago con il passaggio di corrente.

Per visualizzare il fenomeno del campo magnetico tridimensionale occorre provare a posizionare il filo percorso da corrente in varie posizioni intorno alla bussola e tenere nota di come devia l'ago; eventualmente anche invertendo i collegamenti ai poli della batteria.

37

É evidente che elettricità e magnetismo non sono due fenomeni distinti, ma intrinsecamente connessi.

CAMPO MAGNETICOCAMPO MAGNETICOCAMPO MAGNETICOCAMPO MAGNETICO

Ma perché si creano campi magnetici e perché ci sono materiali permanentemente magnetizzati senza che sia visibile nessun cavo percorso da corrente elettrica?

La colpa è della composizione atomica della materia.

Nell'atomo sono presenti cariche elettriche e le orbite degli elettroni si comportano come spire di filo elettrico, in questo modo si crea il campo magnetico.

Un campo magnetico è sempre caratterizzato da due poli, le cariche elettriche si possono separare (vedi esperienze con l'elettroscopio) i poli magnetici invece no.

Se prendo un magnete a sbarra e lo spezzo, ottengo due dipoli magnetici e via di questo passo.

É sicuramente molto utile, a questo punto, cercare di visualizzare le linee del campo magnetico che avvolgono una calamita; un buon sistema è il seguente:

MATERIALE NECESSARIO:

Un vasetto di vetro, filo, una calamita, una matita, olio fluido di vaselina e limatura di ferro.

38

Si riempie il vaso di olio di vaselina, si mescola la limatura di ferro e, rapidamente, di immerge la calamita sorretta da un filo legato alla matita appoggiata ai bordi del vaso.

In questo modo si potranno osservare le linee di forza del campo magnetico nella loro tridimensionalità. Un modo ulteriore consiste nel fotografare bidimensionalmente il campo magnetico di una calamita:

MATERIALE OCCORRENTE:MATERIALE OCCORRENTE:MATERIALE OCCORRENTE:MATERIALE OCCORRENTE:

carta fotosensibile in bianco e nero, liquidi di sviluppo e fissaggio, limatura di ferro, candela e una calamita.

In una stanza buia al lume di candela si sovrappone la carta fotosensibile alla calamita e vi si versa sopra la limatura di ferro.

Si accende la luce per 10 secondi e si procede allo sviluppo della carta.

Ciò che si ottiene è una vera e propria fotografia del campo magnetico evidenziato dall'impronta della limatura sul foglio fotosensibile.

É sicuramente molto utile continuare a "giocare" per visualizzare il campo magnetico di una calamita con una lastra di plexiglass e della limatura di ferro:

39

Con un magnete, alcune bussole e limatura di ferro si possono ulteriormente evidenziare le linee di un campo magnetico.

É meglio realizzare questa esperienza interponendo una lastra di plexiglass tra la limatura di ferro e il magnete

É altresì interessante ruotare il magnete sotto la lastra di plexiglass e visualizzare come si dispone la limatura di ferro come mostrato nella sequenza sottostante:

ELETTROCALAMITAELETTROCALAMITAELETTROCALAMITAELETTROCALAMITA

Abbiamo sperimentato che un filo percorso da corrente elettrica crea un campo magnetico e si comporta come un magnete.

Potremmo a questo punto fabbricarci dei magneti con del semplice filo elettrico e divertirci ad attrarre materiali ferrosi.... ma se ci proviamo sembra non succedere niente.

40

In realtà il campo magnetico esiste, ma è molto debole e non riesce visibilmente ad attrarre quasi niente. Dobbiamo "potenziare" il nostro campo magnetico per induzione.

A questo scopo ci occorre un materiale che sia facilmente "impressionabile" dal campo magnetico prodotto dal nostro filo percorso da corrente.

MATERIALE OCCORRENTE:

Un grosso chiodo, filo di rame smaltato o filo elettrico isolato e sottile, una batteria da 4,5 volt e una graffetta metallica.

Occorre avvolgere il grosso chiodo con almeno 50 spire di filo elettrico (meglio se sono in numero maggiore e molto vicine) lasciando sporgere due spezzoni di filo alle due estremità opposte.

Colleghiamo le estremità della spira ai poli della batteria e avviciniamo una delle due estremità del chiodo alla graffetta.

La graffetta verrà attirata dalla nostra elettro-calamita. Si può continuare l'esperienza variando il numero delle spire e verificando praticamente come cambia l'intensità del campo magnetico generato in base al numero di graffette che rimangono "appese" all'elettro-calamita.