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LOW-TECH EXPERIMENTS
BOOKLET
1
Pendolo magnetico caotico
Finalità
Comprendere che in un moto caotico anche una piccola variazione delle condizioni iniziali produce
una situazione finale differente.
Materiale necessario
Un pendolo magnetico caotico come in figura o, in alternativa, costruirne uno come di seguito
descritto:
materiale occorrente: sostegno in legno, una base in legno, filo, 6 magneti.
Fissare 5 dei 6 magneti alla base assicurandosi che affaccino tutti la stessa polarità verso l’alto (per
es, Sud); l’altro magnete costituisce la massa del pendolo appeso al sostegno in legno; assicurarsi
che il polo inferiore di quest’ultimo sia uguale al polo superiore dei magneti fissati alla base (per es,
Sud).
Procedura di esecuzione
Far partire il pendolo da diverse posizioni iniziali e osservarne il movimento. Il pendolo evita di
fermarsi su ciascuna delle aree della base in cui si trova un magnete. Il suo movimento al di sopra
dei magneti è assolutamente caotico. Alcune volte si può avere l’impressione che la sfera si stia
fermando al di sopra di un’area, ma improvvisamente viene attratta da un’altra. Teoricamente non
si può prevedere dove si fermerà la sfera. Anche un piccolo cambiamento della posizione iniziale
del pendolo conduce ad un risultato differente, caratteristica tipica del movimento caotico.
Approfondimento: il movimento del pendolo dipende da molti fattori, come l’attrito (può essere
aumentato se il pendolo è immerso in un liquido), la forza di gravità (che cambia la direzione
relativa se la posizione verticale del pendolo cambia), la forza di attrazione o repulsione dei magneti
(magneti differenti hanno “intensità” e configurazioni leggermente differenti, così non agiscono mai
esattamente con la stessa forza).
2
Costruzione magnetica con barrette e sfere.
Finalità
Riconoscere che i magneti presentano sempre due polarità; riconoscere che se una sfera di acciaio
inossidabile è posta fra le barrette magnetiche, esse si attraggono a vicenda, indipendentemente dai
poli affacciati. Comprendere che questo è un effetto dovuto al riordinamento dei domini magnetici
nella sfera.
Materiale necessario
Barrette magnetiche o geomag, sferette di acciaio.
Modalità di esecuzione
Poggiare un magnete sul tavolo e avvicinare l’altro con un polo e poi con l’altro: le uniche
interazioni possibili danno attrazione o rotazione e attrazione, a seconda dei poli affacciati. Porre
una sfera di acciaio inossidabile fra le barrette magnetiche: esse si attraggono a vicenda,
indipendentemente dai poli affacciati. Questo effetto dovuto al riordinamento dei domini magnetici
nella sfera: nel caso A di Fig 1, la sfera inserita fra poli di segno differente è magnetizzata in modo
“normale” cioè diventa un bipolo magnetico (N-S), con l’asse orientato nella direzione dei magneti
esterni; nel caso B di Fig 1, invece, la sfera, inserita fra poli dello stesso segno, “adatta” i suoi poli
magnetici in modo da essere attratto da entrambi i magneti esterni. I poli “persi” si trovano su un
piano perpendicolare all’asse dei magneti.
È possibile creare costruzioni meravigliose con queste barrette magnetiche colorate. Ma fra ogni
coppia di magneti è necessario posizionare una sfera metallica, pena lo sfaldamento dell’intero
oggetto.
Fig 1: caso A e caso B
3
Detector di campi magnetici
Finalità
Osservare quanti poli possiede un magnete e dove sono situati; comprendere il concetto di campo;
riconoscere l’esistenza del flusso magnetico; osservare il riordinamento dei domini magnetici in una
sfera posta tra due barrette magnetiche a seconda dei poli affacciati.
Materiale necessario
Magneti bipolari e multipolari. 2 barrette magnetiche. Una sferetta di acciaio. Una lavagna
magnetica (disegnatore magnetico): al di sotto del foglio trasparente della lavagna magnetica, c’è
limatura di ossido di ferro (magnetite) galleggiante in una soluzione di olio di paraffina. Nella punta
della “matita” c’è un magnete che attrae la limatura che quindi si attacca al foglio formando il
disegno. Per cancellare i disegni si utilizza una striscia magnetica che è possibile far scorrere lungo
la base della lavagna e che attrae la limatura verso il basso facendola così distaccare dal foglio. Lo
schermo della tavola è diviso in celle esagonali per evitare di trascinare tutta la soluzione in un
punto. Questa lavagna funziona con lo stesso principio con cui i chiodi di ferro o le polveri di ferro
si orientano in un campo magnetico. Essi vengono magnetizzati dal campo magnetico esterno e
seguono le linee di campo magnetico. Così una configurazione allineata possiede un’energia più
bassa rispetto all’energia posseduta nel caso di inclinazioni diverse.
Procedura di esecuzione
Poggiare i magneti sulla lavagna, rimuoverli, osservare e riconoscere le polarità dei magneti dai
disegni formati. Disporre 2 barrette magnetiche come nei casi A e B della Fig 1 dell’esperimento
3.2. : strisciarli sulla lavagna e osservare i disegni che si formano nei due casi individuando come si
sono riordinati i domini magnetici nella sferetta.
Uno strumento analogo alla lavagna magnetica è il rivelatore di flusso:
4
Magnetic dog
Finalità
Comprendere che le interazioni magnetiche avvengono a distanza.
Materiale necessario
2 magneti forti; filo.
Procedura di esecuzione
Legare ognuno dei 2 magneti ad una estremità di due fili distinti e collegarli uno al soffitto, l’altro a
terra come in figura, in modo che i due magneti affaccino polarità opposte e, quindi, si attraggano
pur restando separati. Muovendo leggermente uno dei due fili si vede che, grazie all’interazione
attrattiva, l’altro lo segue.
5
Modello di microscopio a forza atomica (riferimento ad una applicazione
pratica)
Finalità
Presentare un modello di microscopio a forza atomica.
Materiale necessario
3 magneti, un foglio, una sottile striscia metallica (usata nei sistemi anti-rapina dei negozi).
Disporre i magneti sotto il foglio.
Procedura di esecuzione
Muovere lentamente la fascia metallica lungo il foglio. Si osserva che esso viene attratto tre volte da
esso. I 3 magneti posizionati al di sotto del foglio blu attraggono realmente la fascia metallica. Allo
stesso modo lavora il microscopio a forza atomica.
6
Anelli magnetici impilati
Finalità
Riconoscere che non è possibile far rimanere un magnete sospeso su di un altro magnete che si
affacciano con poli del medesimo tipo. Comprendere che vincolare i due magneti (impedendone la
rotazione) è l’unico modo per osservare la sospensione. Riconoscere l’uguaglianza (in modulo) tra
forza repulsiva e peso del magnete sovrastante. Riconoscere che all’equilibrio, nel caso di più
magneti in sospensione uno sull’altro, le distanze tra due successivi sono in progressione
geometrica.
Materiale necessario
Magneti a forma di anello e asta di legno o plastica con sostegno su cui poter impilarli.
Procedura di esecuzione
Poggiare un magnete ad anello su un tavolo in modo che una polarità (per es Nord) sia rivolta verso
l’alto; avvicinare dall’alto un altro magnete in modo che sia affacciato il polo dello stesso tipo
(Nord) e provare a farlo rimanere sospeso; constatarne l’impossibilità (a causa di un momento di
dipolo magnetico). Vincolare due magneti impilandoli all’asta di legno e osservare la sospensione.
All’equilibrio, la forza di repulsione è uguale ed opposta alla forza peso del magnete sovrastante.
Ogni volta che si prova a premere un magnete sull’altro essi si oppongono e tendono a respingere il
magnete su cui si sta facendo pressione. Ma se si capovolgono, essi si attaccano gli uni agli altri.
Aumentare il numero di magneti in sospensione uno sull’altro (facendo in modo che, a coppie,
affaccino lo stesso polo), all’equilibrio misurare la distanza tra magneti successivi, osservare che
costituiscono una progressione geometrica. Ogni magnete sostiene quello superiore , ma allo stesso
tempo è spinto verso il basso. Ciascuna azione ha la sua reazione, in accordo con la terza legge di
Newton.
7
LA SOSPENSIONE MAGNETICA: IL CASO DEI MAGNETI VINCOLATI
Finalità
Riconoscere che non è possibile far rimanere un magnete sospeso su di un altro magnete che si
affacciano con poli del medesimo tipo. Comprendere che vincolare i due magneti (impedendone la
rotazione) è l’unico modo per osservare la sospensione. Riconoscere l’uguaglianza (in modulo) tra
forza repulsiva e peso del magnete sovrastante. Determinare la relazione che lega il peso che viene
sostenuto e la distanza tra i due magneti. Riconoscere che all’equilibrio, nel caso di più magneti in
sospensione uno sull’altro, le distanze tra due successivi sono in progressione geometrica.
Materiale necessario
Magneti cilindrici e un tubo (di vetro o plexiglass) trasparente di sezione leggermente superiore a
quella dei magneti. Righello o carta millimetrata. Cilindri dello stesso peso e con sezione uguale a
quella dei magneti.
Procedura di esecuzione
Poggiare un magnete su un tavolo in modo che una polarità (per es Nord) sia rivolta verso l’alto;
avvicinare dall’alto un altro magnete in modo che sia affacciato il polo dello stesso tipo (Nord) e
provare a farlo rimanere sospeso; constatarne l’impossibilità (a causa di un momento di dipolo
magnetico). Vincolare due magneti introducendoli nel tubo e osservare la sospensione.
All’equilibrio, la forza di repulsione è uguale ed opposta alla forza peso del magnete sovrastante.
Aggiungere dall’alto, uno alla volta, i cilindri e misurare, ad ogni aggiunta, la distanza tra i due
magneti: graficare la distanza in funzione del numero di pesi e dedurre la relazione che lega le due
grandezze. Aumentare il numero di magneti in sospensione uno sull’altro (facendo in modo che, a
coppie, affaccino lo stesso polo), all’equilibrio misurare la distanza tra magneti successivi,
osservare che costituiscono una progressione geometrica.
8
INTERAZIONE DI UN MAGNETE CON OGGETTI DI DIVERSO MATERIALE
Finalità
Riconoscere che un magnete interagisce solo con alcuni materiali e che ci sono interazioni di
diverso tipo: a) attrazione o rotazione e attrazione con altri magneti; b) attrazione con oggetti di
materiale ferromagnetico; c) repulsione con oggetti di materiale diamagnetico. Riconoscere la
reciprocità delle interazioni.
Materiale necessario
Magneti cilindrici; bussola; oggetti di legno, polistirolo, gomma, cera, plastica; oggetti di materiale
ferromagnetico (per es graffette fermafogli); un oggetto di materiale diamagnetico (per es grafite
pirolitica).
Procedura di esecuzione
Avvicinare un magnete (tenendolo in mano) ad ognuno degli oggetti a disposizione (poggiati su un
tavolo, liberi di muoversi), osservarne il comportamento e classificarli a seconda di esso.
Reciprocità: poggiare il magnete sul tavolo e avvicinare, uno alla volta, tenendoli in mano, gli altri
oggetti a disposizione con cui si era osservata interazione: in questo caso è il magnete a muoversi.
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Magnete che rotola su un piano inclinato di legno: in che direzione rotolerà?
Finalità
Comprendere che la traiettoria descritta da un magnete che rotola su un piano inclinato immerso in
un campo magnetico (nel nostro caso quello terrestre) è rettilinea o curva a seconda della posizione
del piano rispetto alla direzione N-S di tale campo. Comprendere che tale traiettoria non coincide
con le linee di campo del campo magnetico terrestre.
Materiale necessario
Un magnete cilindrico forte; un piano inclinato di un materiale non magnetico o conduttore.
Procedura di esecuzione
Disporre il piano inclinato parallelamente alla direzione N-S del campo magnetico terrestre: far
rotolare il magnete e osservare la traiettoria descritta (curva con angolo di curvatura molto piccolo
tendente a zero). Disporre poi il piano perpendicolarmente alla direzione N-S e osservare la nuova
traiettoria descritta (rettilinea – cioè con angolo di curvatura tendente all’infinito). Fare
successivamente altre prove con posizioni intermedie (si registrano traiettorie curvilinee con valori
di angoli di curvatura intermedi ai due precedenti). Ciò accade perché il magnete, durante il
rotolamento, tende a orientarsi parallelamente alla direzione N-S terrestre.
Anche la sua velocità cambia perché ci sono interazioni fra il magnete ed il campo magnetico
terrestre. Si osservi che la traiettoria descritta dal magnete è completamente differente dalle linee di
campo magnetico terrestri.
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LE LINEE DI ORIENTAZIONE INTORNO A UN MAGNETE
Finalità
Riconoscere che le bussole, lontane da altri magneti, si orientano lungo una comune direzione N-S
terrestre. Riconoscere che in presenza di un magnete la loro orientazione cambia e che gli aghi si
dispongono in modo da risultare tangenti a delle linee che hanno determinate caratteristiche: escono
da un polo del magnete e si infilano nell’altro, simmetria della loro configurazione rispetto all’asse
N-S del magnete, tridimensionalità della configurazione.
Materiale occorrente
Piattaforma di bussole, bussole, magnete.
Procedura di esecuzione
Disporre le bussole su un tavolo lontane da altri magneti e sufficientemente lontane tra loro (in
modo da non influenzarsi a vicenda): esse si orientano lungo la direzione N-S terrestre. Avvicinare
un magnete: la loro orientazione cambia al variare della posizione del magnete. Poggiare il magnete
su una piattaforma di bussole: osservare le linee che si ottengono seguendo la direzione degli aghi
delle bussole, disegnarle su un foglio e determinarne le caratteristiche. Disporre la piattaforma di
bussole vicino al magnete tenendola anche verticalmente e obliqua: si osserva che le linee di
orientazione non sono situate solo nel piano orizzontale ma anche in tutti i piani, indipendentemente
dalla inclinazione. Si deduce che la struttura delle linee è tridimensionale.
11
LA SOVRAPPOSIZIONE DI CAMPI: LINEE DI ORIENTAZIONE DI DUE MAGNETI
Finalità
Riconoscere che le linee di orientazione cambiano in presenza di due (o più) magneti. Comprendere
il principio di sovrapposizione di campi. Comprendere che la configurazione delle linee di
orientazione dipende solo dal numero di magneti presenti.
Materiale necessario
Due magneti, piattaforma di bussole.
Procedura di esecuzione
Collocare un magnete su una piattaforma di bussole: osservare le linee di orientazione e disegnarle
su un foglio. Collocare un secondo magnete sulla piattaforma di bussole: osservare la nuova
configurazione delle linee di orientazione e disegnarla su un foglio: Confrontare i due disegni.
Rimuovere uno dei due magneti e osservare che la configurazione ritorna ad essere quella iniziale.
12
LA SOSPENSIONE MAGNETICA: IL CASO DI UN MATERIALE DIAMAGNETICO SU
UN QUADRUPOLO MAGNETICO
Finalità
Riconoscere che non è possibile far rimanere in sospensione una sfoglia di materiale diamagnetico
su un magnete. Riconoscere che è possibile per particolari configurazioni di campo, come nel caso
di un quadrupolo magnetico.
Materiale occorrente
Una sfoglia sottile di materiale diamagnetico (per es grafite pirolitica), 4 magneti a forma di cubo o
parallelepipedo.
Procedura di esecuzione
Poggiare un magnete su un tavolo in modo che un polo sia rivolto verso l’alto; avvicinare dall’alto
la sfoglia di grafite e provare a farla rimanere in sospensione; costatarne l’impossibilità (si osserva
che questa scivola sempre di lato). Costruire un quadrupolo magnetico, avvicinare dall’alto la
sfoglia di grafite e osservare che resta sospesa.
13
Bilancia Acqua – Solfato di rame: paramagnetismo e diamagnetismo
Finalità
Osservare il comportamento di materiali para e diamagnetici.
Materiale necessario
2 provette contenenti, rispettivamente, acqua e CuSO4 , una leggera barretta di legno con due fori
alle estremità (in modo da poter introdurre le provette), cordoncino, un sostegno in legno, un
magnete forte.
Procedura di esecuzione
Assemblare il materiale come in figura, creando una bilancia di torsione. Avvicinare il magnete
prima ad una provetta, poi all’altra, lentamente. In un caso si osserva attrazione, nell’altro
repulsione. Ciò è dovuto al diverso comportamento delle due sostanze, una paramagnetica (con cui
si ha sempre attrazione), l’altra diamagnetica (con cui si ha repulsione). Ripetere poi l’esperienza
avvicinando l’altro polo del magnete: si osserva lo stesso comportamento.
14
Il diamagnetismo della grafite: la matita che ha paura del magnete.
Finalità
Osservare il comportamento diamagnetico della grafite.
Materiale occorrente
Una mina (grafite), un magnete forte.
Procedura di esecuzione
Poggiare sul tavolo il pezzo di mina e avvicinare il magnete: si osserva che la mina si allontana
rotolando, cioè si osserva repulsione. La grafite è un materiale diamagnetico.
15
Il magnete galleggiante tra due lastre di rame
Finalità
Comprendere il ruolo della Legge di Lenz nel rallentamento del moto di un magnete
Materiale necessario
2 barre di rame, una scatola di plexiglass senza le basi, 2 magneti forti.
Procedura di esecuzione
Assemblare il materiale come in figura: poggiare una delle 2 barre di rame su un tavolo, poggiarvi
sopra la scatola di plexiglass, porre al suo interno uno dei 2 magneti con, per esempio, il polo Sud
rivolto verso l’alto, poggiare sulla scatola la seconda barra di rame. Avvicinare dall’alto l’altro
magnete con, nell’esempio, il polo Nord verso il basso. I due magneti si attraggono e quello nella
scatola si solleva; nelle due barre di rame, però, si generano correnti indotte e, per la Legge di Lenz,
il moto verso l’alto del magnete viene rallentato con un conseguente effetto di galleggiamento.
16
La fiamma e il magnete
Finalità
Materiale necessario
Una candela, un magnete forte.
Procedura di esecuzione
Avvicinare lentamente il magnete alla fiamma. Si osserva che la fiamma si allontana.
17
GLI EFFETTI MAGNETICI DI UNA CORRENTE ELETTRICA: L’ESPERIMENTO DI
OERSTED
Finalità
Riconoscere che la corrente elettrica genera un campo magnetico. Riconoscere che le linee di
orientazione sono circonferenze concentriche con centro sul filo e giacenti su piani ad esso
perpendicolari.
Materiale necessario
Bussole, cavo conduttore, generatore, un sostegno per disporre il filo in modo verticale con un
piano orizzontale in plastica.
Procedura d’esecuzione
Collegare il filo al generatore, disporlo orizzontalmente su un piano in modo che abbia direzione NS terrestre (a circuito aperto in modo che sia parallelo alla direzione dell’ago di una bussola);
chiudere il circuito; osservare che la direzione di orientazione della bussola cambia e tende a
disporsi verticalmente al filo; inoltre una bussola posta sopra e sotto il filo si orientano nella stessa
direzione ma verso opposto.
Disporre il filo verticalmente in modo che attraversi un piano di plastica su cui vengono disposte
delle bussole; alla chiusura del circuito si osserva che l’orientazione degli aghi delle bussole
cambia in modo da risultare tangenti a linee circolari concentriche con centro sul filo.
18
CONFIGURAZIONE DELLE LINEE DI ORIENTAZIONE DI UN SOLENOIDE
Finalità
Riconoscere la configurazione delle linee di orientazione di un solenoide. Riconoscere
l’equivalenza di un solenoide con un magnete. Dedurre che le linee di orientazione di un magnete
sono chiuse.
Materiale necessario
Un solenoide, un generatore, piattaforma di bussole, bussole.
Procedura di esecuzione
Collegare il solenoide al generatore, disporlo su una piattaforma di bussole; chiudere il generatore:
si osserva che l’orientazione delle bussole cambia; disegnare su un foglio le linee di orientazione;
esse sono simili a quelle generate da un magnete; introdurre una bussola all’interno del solenoide: si
osserva che si dispone parallelamente all’asse del solenoide. Le linee di orientazione di magnei e
solenoidi sono chiuse.
19
INTERAZIONE DI UN SOLENOIDE CON UN MAGNETE
Finalità
Riconoscere che le interazioni possibili tra un solenoide e un magnete sono le stesse che tra due
magneti. Riconoscere che il solenoide si comporta come un magnete con alle sue estremità due poli
N e S la cui posizione dipende dal verso della corrente.
Materiale necessario
Un solenoide, un generatore, un magnete.
Procedura di esecuzione
Poggiare un magnete su un tavolo in modo che sia libero di muoversi; collegare il solenoide al
generatore; avvicinare il solenoide al magnete, prima ad un polo, poi all’altro: l’interazione che si
osserva è attrazione da una parte e rotazione e attrazione dall’altro; si deduce che il solenoide si
comporta come un magnete ed ha i due poli N e S alle sue estremità. Invertire il verso della corrente
che circola nel solenoide e ripetere l’esperienza; si osserva un comportamento opposto: si deduce
che la polarità del solenoide si è invertita.
20
SOSPENSIONE MAGNETICA: IL CASO DI UN SOLENOIDE E DI UN MAGNETE
Finalità
Riconoscere che l’interazione di un solenoide e di un magnete vincolati (è impedita la rotazione) è
simile a quella dei due magneti vincolati. Si osserva la sospensione.
Materiale necessario
Un tubo trasparente di plastica ad una cui estremità e fissato un solenoide, un generatore, un
magnete cilindrico di sezione leggermente inferiore a quella del tubo.
Procedura di esecuzione
Collegare il solenoide al generatore, chiudere il circuito, inserire il magnete nel tubo; se il verso di
circolazione della corrente è tale che il solenoide e il magnete affacciano poli dello stesso tipo, si
osserva la sospensione del magnete sopra il solenoide analogamente al caso di due magneti.
21
L’ESPERIMENTO DI POHL
Finalità
Riconoscere che un filo percorso da corrente immerso in un campo magnetico sperimenta una forza
e che le direzioni del campo magnetico, della corrente e di tale forza sono mutualmente
perpendicolari. Il verso della forza cambia se si cambia il verso della corrente o il verso del campo
magnetico.
Materiale necessario
Filo conduttore libero di oscillare tra le espansioni polari di un magnete o di un elettromagnete, due
generatori.
Procedura di esecuzione
Collegare il filo e l’elettromagnete ai generatori; chiudere il circuito che alimenta l’elettromagnete;
disporre il filo in direzione perpendicolare alle linee di orientazione nella porzione di spazio tra le
espansioni polari; quando si chiude anche il circuito in cui il filo è inserito, questo sperimenta una
forza perpendicolare sia alle linee di orientazione che alla direzione della corrente. Invertire il verso
della corrente o la polarità del magnete: si osserva che cambia il verso della forza.
22
Un motore monopolare: la spira rotante fra magneti (1° esempio)
Finalità
Riconoscere il ruolo della Forza di Lorentz F = qv x B nel funzionamento di un motore monopolare.
Materiale necessario
Una spira, una batteria, espansioni polari magnetiche, un sostegno di plexiglass.
Procedura di esecuzione
Collegare la spira alla batteria e sospenderla tra le espansioni polari di un magnete in modo che sia
libera di ruotare. Se la normale alla superficie della spira è inizialmente non perpendicolare alle
linee di campo magnetico delle espansioni polari, la spira comincerà a ruotare. Infatti, considerando
una coppia di punti della spira diametralmente opposti, la corrente scorre in direzioni opposte e, in
accordo con la regola della mano destra di Fleming, i due lati sono soggetti a forze (di Lorentz)
aventi stessa direzione ma versi opposti; da qui l’effetto rotante sulla spira. Stesso effetto se viene
data una piccola spinta iniziale alla spira. Se si inverte il verso della corrente nella spira o le polarità
delle espansioni magnetiche, cambia il verso di rotazione della spira. Man mano che la spira ruota
aumenta la velocità angolare. Molti motori elettrici usano questo principio dell’effetto rotante.
23
Un motore monopolare: l’acqua rotante (2° esempio)
Finalità
Riconoscere il ruolo della Forza di Lorentz F = qv x B nel funzionamento di un motore
monopolare.
Materiale necessario
Una pila cilindrica, un chiodo, un magnete cilindrico, un cavetto di collegamento, una coppa in
plastica, carta di alluminio, acqua, sale, una piastra magnetica, piccoli pezzi di polistirolo.
Procedura di esecuzione
Rivestire la coppa, al suo interno e fino al bordo, di carta di alluminio e poggiarla sulla piastra
magnetica; versare dell’acqua nella coppa, sciogliervi qualche cucchiaio di sale e spargervi i pezzi
di polistirolo; chiudere il circuito come mostrato in foto: si osserva che l’acqua si mette in
rotazione. La direzione del movimento delle cariche che costituisce la corrente all’interno
dell’acqua e quella delle linee di campo sono perpendicolari, di conseguenza le cariche sentono una
forza (di Lorentz) che causa la rotazione dell’acqua. Se si inverte il verso della corrente o la polarità
del magnete, il verso di rotazione cambia.
24
Un motore monopolare (3° esempio)
Finalità
Riconoscere il ruolo della Forza di Lorentz F = qv x B nel funzionamento di un motore
monopolare.
Materiale necessario
Una pila cilindrica, un chiodo, un magnete cilindrico, un cavetto di collegamento.
Procedura di esecuzione
Chiudere il circuito come mostrato in foto: si osserva che il magnete si mette in rotazione. La
direzione del movimento delle cariche che costituisce la corrente all’interno del magnete e quella
delle linee di campo sono perpendicolari, di conseguenza le cariche sentono una forza (di Lorentz)
che causa la rotazione del magnete. Se si inverte il verso della corrente o la polarità del magnete, il
verso di rotazione cambia.
25
Un motore monopolare (4° esempio)
Finalità
Riconoscere il ruolo della Forza di Lorentz F = qv x B nel funzionamento di un motore
monopolare.
Materiale necessario
Un magnete forte, una spira di rame, due graffette, una batteria.
Procedura di esecuzione
Assemblare il materiale come in figura. Il motore si avvia avvicinando la spira al magnete, nel caso
in cui la normale alla superficie della spira è non parallela alle linee di campo del magnete oppure
dando una piccola spinta alla spira. In accordo con la legge di Lorentz, invertendo il verso della
corrente nella spira o la polarità del magnete affacciata, la spira ruota nel verso opposto.
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Un motore monopolare: il motore ad anello (5° esempio)
Finalità
Riconoscere il ruolo della Forza di Lorentz F = qv x B nel funzionamento di un motore
monopolare.
Materiale necessario
Una struttura piana, realizzata con filo di rame, con un perno nella parte superiore ed un anello nella
parte inferiore (come in figura), una batteria cilindrica, un magnete cilindrico forte.
Procedura di esecuzione
Assemblare il materiale come in figura: porre la batteria al di sopra del magnete e la struttura
metallica al di sopra della batteria, inizialmente in quiete. Fare poi in modo che l’anello tocchi
leggermente il magnete: il circuito in questo modo si chiude ed inizia a circolare una corrente.
All’interno del magnete la corrente scorre radialmente (istante per istante scorre lungo il raggio che
passa per il punto di contatto tra magnete e spira) e orizzontale, immersa nel campo magnetico
(verticale) del magnete stesso: su tali cariche agisce una forza (di Lorentz), con direzione
orizzontale e perpendicolare al raggio; se il magnete fosse libero ruoterebbe (esperimento 7.5.);
essendo vincolato (per attrito col piano d’appoggio), le cariche tendono a ruotare, il punto di
contatto tra spira e magnete cambia posizione istante per istante ruotando lungo la superficie
laterale del magnete e, per il principio di azione e reazione, la struttura metallica si mette in
rotazione.
In accordo con la legge di Lorentz, invertendo il verso della corrente o invertendo le polarità del
magnete, la rotazione avviene nel verso opposto.
27
Lazy pendulum
Finalità
Materiale occorrente
Una barra di rame, un magnete forte, un filo, uno stativo.
Procedura di esecuzione
Assemblare il materiale come in figura in modo da ottenere un pendolo con, alla base, una lastra di
rame. Si osserva che il pendolo non oscilla ma si ferma repentinamente alla prima oscillazione. Ciò
accade a causa del campo magnetico indotto che si oppone alla variazione di flusso che l’ha
generato (Legge di Lenz).
28
Il freno elettromagnetico
Finalità
Comprendere il ruolo della legge di Lenz nel freno elettromagnetico
Materiale necessario
Una bottiglia in plastica, uno stecco di legno, un cerchio di cartone, carta di alluminio, un magnete
forte.
Procedura di esecuzione
Ricoprire il cerchio di cartone con un foglio di alluminio, e collegarlo alla bottiglia tramite il
bastoncino di legno come in figura, in modo da esser libero di ruotare. Metterlo in rotazione e
avvicinare il magnete: si osserva che la rotazione si arresta rapidamente. Ciò accade a causa del
campo magnetico indotto che si oppone alla variazione di flusso che l’ha generato (Legge di Lenz).
29
Magnete che rotola su un piano inclinato di rame: come rotolerà?
Finalità
Comprendere il ruolo delle correnti indotte (Legge di Lenz) nel rallentamento e nella deviazione
della traiettoria seguita da un magnete che rotola su un piano inclinato di materiale conduttore
(rame).
Materiale necessario
Una barra da rame; un magnete cilindrico forte.
Procedura di esecuzione
Lasciar rotolare il magnete lungo un piano inclinato di rame: essendo il sistema immerso nel campo
magnetico terrestre, sono valide le considerazioni fatte per l’esperienza 3.17. sulla traiettoria seguita
dal magnete e quelle fatte per l’esperienza 8.4. sul suo rallentamento. Nei casi in cui inizialmente il
magnete segua una traiettoria curvilinea, nel momento in cui esso si avvicina ai bordi della barra di
rame si nota che esso non cade di lato ma devia ogni volta seguendo così una traiettoria a zig-zag. Il
magnete si muove come un “magnete ubriaco”.
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LA LEGGE DI LENZ: IL CASO DI UN MAGNETE CHE SCIVOLA LUNGO UNA
LASTRA DI RAME
Finalità
Riconoscere il ruolo della Legge di Lenz nel rallentamento dello scivolamento di un magnete su una
lastra di rame inclinata. Comprendere l’andamento delle correnti indotte nella lastra.
Materiale necessario
Una lastra di rame, una lastra di legno, un magnete.
Procedura di esecuzione
Inclinare la lastra di legno; poggiare sulla lastra il magnete in modo che un polo sia a contatto con
essa: misurare il tempo di scivolamento. Ripetere l’esperienza usando la lastra di rame: si osserva
che il secondo intervallo di tempo rilevato è maggiore del primo.
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Il magnete che non vuole cadere
Finalità
Riconoscere il ruolo della Legge di Lenz nel rallentamento della caduta di un magnete su una lastra
di rame.
Materiale necessario
Una barra di rame, un magnete forte
Procedura di esecuzione
Lasciar cadere, da piccole altezze ( 2 - 3 cm al massimo), il magnete sulla barra di rame: si osserva
che il magnete viene rallentato nella sua caduta e si adagia dolcemente sulla barra. Ciò accade a
causa del campo magnetico indotto che si oppone alla variazione di flusso che l’ha generato (Legge
di Lenz).
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Il led che lampeggia
Finalità
Osservare l’insorgere di correnti indotte ad una variazione di flusso magnetico concatenato.
Materiale necessario
Un tubo in plexiglass filo di rame, un led, un magnete forte.
Procedura di esecuzione
Avvolgere il filo di rame intorno al tubo (in un suo qualunque punto) e chiudere il circuito con un
led. Lasciar cadere il magnete nel tubo. Quando il magnete attraversa l’avvolgimento si osserva che
il led si illumina. Ciò accade perchè nell’avvolgimento si instaura, al passaggio del magnete, una
corrente indotta dovuta alla variazione del flusso magnetico concatenato con l’avvolgimento stesso.
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La legge di lenz: il caso di un magnete che cade in un tubo di rame
Finalità
Riconoscere il ruolo della Legge di Lenz nel rallentamento della caduta di un magnete in un tubo di
rame. Comprendere che il tubo si comporta come una successione di infinite spire in cui viene
indotta una corrente. Comprendere l’andamento delle correnti indotte nel tubo.
Materiale necessario
Due tubi di rame di cui uno con una feritoia parallela al suo asse, un magnete cilindrico di sezione
leggermente inferiore a quella dei tubi, un cilindro di legno delle stesse dimensioni del magnete.
Procedura di esecuzione
Lasciar cadere il cilindro di legno nel tubo e misurarne il tempo di caduta ∆t1. Ripetere l’esperienza
col magnete e misurare il tempo di caduta ∆t2: si osserva che ∆t2 > ∆t1.
Far cadere il magnete nel tubo di rame con la feritoia e misurarne il tempo di caduta ∆t3: si osserva
che ∆t3<∆t2. La presenza di una feritoia limita l’effetto della legge di Lenz.
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Esplorazione delle situazioni che generano corrente indotta
Finalità
Riconoscere le situazioni nelle quali si genera corrente indotta in un filo, una spira immersi in un
campo magnetico: variazione della superficie concatenata, dell’angolo tra la normale alla superficie
e la direzione delle linee di campo magnetico. Comprendere che la grandezza fisica che varia è il
flusso del campo magnetico. Riconoscere che la corrente indotta dipende dalla velocità di
variazione del flusso. Riconoscere che il flusso varia anche nel caso in cui varia l’intensità del
campo magnetico.
Materiale necessario
Espansioni polari di un magnete, filo conduttore, spire, avvolgimenti, galvanometro.
Procedura di esecuzione
Immergere un filo, legato a formare un nodo scorsoio e collegato ad un galvanometro, tra le
espansioni polari di un magnete: tirando il nodo si osserva il passaggio di una corrente indotta nel
filo. Inserire ed estrarre una spira, collegata ad un galvanometro, nel campo magnetico tra le
espansioni polari, mantenendola sempre parallela alle espansioni stesse: si osserva il passaggio di
una corrente indotta nella spira. Mantenendo la spira all’interno delle espansioni polari, ruotarla in
modo che vari l’angolo formato tra la normale alla superficie racchiusa dalla spira e le linee di
campo: si osserva il passaggio di una corrente indotta nella spira. Ripetere le due esperienze
muovendo la spira a diverse velocità: si osserva il passaggio di una corrente indotta nella spira la
cui intensità è direttamente proporzionale alla velocità.
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3 artefatti il cui funzionamento si basa sull’induzione elettromagnetica
Finalità
Riconoscere il ruolo della variazione di flusso nell’induzione di corrente nei 3 artefatti
Materiale necessario
I 3 artefatti in figura
Procedura di esecuzione
a) agitando la torcia, essa si illumina
b) soffiando nella cannuccia, il led si illumina
c) girando la manovella, la lampadina si illumina
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