fenomeni magnetici ed elettromagnetici
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Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 1 UNIVERSITÀ DI UDINE Unità di Ricerca in Didattica della Fisica CONSORZIO UNIVERSITARIO DEL FRIULI esplorare per interpretare nella scuola primaria FENOMENI MAGNETICI ED ELETTROMAGNETICI Catalogo di esperimenti a cura di Barbara Fedele Marisa Michelini Alberto Stefanel FORUM Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 2 UNIVERSITÀ DI UDINE Unità di Ricerca in Didattica della Fisica CONSORZIO UNIVERSITARIO DEL FRIULI esplorare per interpretare nella scuola primaria FENOMENI MAGNETICI ED ELETTROMAGNETICI Catalogo di esperimenti a cura di: Barbara Fedele, Marisa Michelini, Alberto Stefanel Università di Udine Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Stampa: Litho Stampa Forum Editrice Universitaria Udinese srl Via Palladio, 8 - 33100 Udine Tel. 0432 26001 / Fax 0432 296756 www.forumeditrice.it © Copyright 2006 Università di Udine Unità di Ricerca in Didattica della Fisica e-mail: [email protected] ISBN: 88-8420-362-7 Il presente lavoro è il frutto di ricerche svolte nell’ambito dei seguenti progetti: – Interreg III Italia - Slovenia 2000-2006: Materiali per l’innovazione in didattica della fisica a supporto della formazione iniziale e in servizio degli insegnanti - Asse 3: «Risorse umane, cooperazione e armonizzazione dei sistemi». Misura 3.2 «Cooperazione nella cultura, nella comunicazione della ricerca e tra istituzioni per l’armonizzazione dei sistemi». Azione 3.2.4 «Collaborazione tra Enti ed Istituzioni nel campo della ricerca scientifica». – PRIN 2004-2006 - Fis 21. Le parti di confine in un modello di percorso in fisica: educazione scientifica elementare, campo, ottica e meccanica quantistica. Formazione degli insegnanti - Programmi di ricerca scientifica di Rilevante Interesse Nazionale (DM n 30 del 12 febbraio 2004). – Progetti di diffusione della cultura scientifica 2000-2005 ai sensi della L.6-2000. Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 3 Presentazione L’educazione scientifica è il problema del nostro secolo. A tutti i livelli viene chiesto di favorire la formazione scientifica dei futuri cittadini, ma la nostra scuola non è pronta, perché gli insegnanti non hanno avuto finora la necessaria formazione. Anche la didattica scientifica non è stata curata a tutti i livelli con lo scopo di fornire autonomi strumenti di elaborazione dei concetti. Si deve cominciare con il garantire le basi del modo di pensare scientifico nella scuola primaria. Lo si deve fare offrendo ai futuri insegnanti strumenti professionali per l’educazione scientifica. La formazione universitaria degli insegnanti è appena iniziata e mancano ancora strumenti didattici per questo importante compito. Anche per questo motivo l’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine ha concentrato le proprie ricerche didattiche sui processi di apprendimento dei più piccoli in campo scientifico. È stato studiato il ruolo dell’operatività nel personale coinvolgimento esplorativo, sperimentale, concettuale ed interpretativo dei fenomeni, le modalità di costruzione del pensiero formale in contesti formali ed informali, come quello della mostra Giochi Esperimenti Idee (GEI). Sono stati realizzati laboratori cognitivi in cui sono state esplorate proposte didattiche, idee spontanee e sequenze di ragionamento nella costruzione di modelli interpretativi. Quando la coerenza delle proposte elaborate ha mostrato tenuta sia sul piano disciplinare che su quello dei processi di apprendimento, abbiamo lavorato con gli insegnanti di scuola primaria per rielaborare percorsi didattici e sperimentarli in situazioni diverse. Il tirocinio degli studenti di Scienze della Formazione Primaria è stato fecondo per le ricerche sui processi di apprendimento, per la ricaduta di proposte innovative nella scuola primaria e per la formazione dei futuri insegnanti. Accanto alle ricerche sui processi di apprendimento si sono così sviluppate quelle curricolari e di ricerca e sviluppo di prototipi e schede per l’attività didattica. Le schede brevi di questo fascicolo costituiscono un catalogo di esperimenti che segue un percorso di sviluppo concettuale della polarizzazione ottica. Esso è stato sperimentato ed inserito nelle proposte didattiche della mostra Giochi Esperimenti Idee (GEI). Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 4 Il presente lavoro è il frutto di ricerche svolte nell’ambito dei seguenti progetti: - Interreg III Italia – Slovenia 2000-2006: Materiali per l’innovazione in didattica della fisica a supporto della formazione iniziale e in servizio degli insegnanti –- Asse 3: «Risorse umane, cooperazione e armonizzazione dei sistemi». Misura 3.2 «Cooperazione nella cultura, nella comunicazione della ricerca e tra istituzioni per l’armonizzazione dei sistemi». Azione 3.2.4 «Collaborazione tra Enti ed Istituzioni nel campo della ricerca scientifica». PRIN 2004-2006 – Fis 21. Le parti di confine in un modello di percorso in fisica: educazione scientifica elementare, campo, ottica e meccanica quantistica. Formazione degli insegnanti – Programmi di ricerca scientifica di Rilevante Interesse Nazionale (DM n. 30 del 12 febbraio 2004) - Progetti di diffusione della cultura scientifica 2000-2005 ai sensi della L. 6-2000. Marisa Michelini La ‘filosofia’ dell’azione del Consorzio universitario del Friuli (nel quadro delle linee-guida di carattere generale approvata dall’Associazione Nazionale Consorzi Universitari) si colloca nella promozione dello sviluppo dei territori di riferimento tramite la collaborazione con l’Istituzione universitaria. Ciò favorendo l’avvio e lo sviluppo di iniziative di formazione e di ricerca finalizzate al progresso economico e alla crescita culturale del territorio stesso e delle sue Comunità. Antesignano interprete di tale esigenza per quanto riguarda l’educazione scientifica, nel raccordo fra territorio ed Università degli Studi di Udine è stato il Centro Interdipartimentale di Ricerca Didattica (CIRD), costituito nel 1993, sostenuto dal Consorzio sin dalla sua attivazione, e nell’ambito del quale è funzionante il Centro Laboratorio per la Didattica della Fisica (CLDF). Sulla medesima linea si è collocato, nel 2003, il sostegno consortile alla pubblicazione “L’educazione scientifica nel raccordo territorio/università a Udine”. Sempre nel medesimo spirito il Consorzio al presente sostiene la serie di pubblicazioni predisposte dall’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università degli Studi di Udine. Di tutte le sopraddette iniziative il merito va a Marisa Michelini, protagonista ed anima delle stesse, cui – unitamente ai suoi collaboratori – va la gratitudine del Consorzio universitario del Friuli per l’impegno e la passione dimostrati e per l’alta qualità del lavoro. Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 5 1 - AVVICINARE UN MAGNETE AD OGGETTI DI VARI MATERIALI Si avvicina un magnete (ossia una calamita) a oggetti diversi per forma, dimensioni, materiali, che sono appoggiati sul banco [un chiodo di ferro, un pezzo di ottone, un temperino, un fermaglio per carte, un paio di forbici, una vecchia moneta da 100 Lire, una moneta da 1 centesimo di Euro, una moneta da 10 centesimi di Euro, una moneta da 20 centesimi di Euro, una moneta da 1 Euro, una moneta da 2 Euro, un cubetto di alluminio, un cubetto di legno, un cubetto di pongo, un cubetto di polistirolo, un cubetto di acciaio, un cubetto di cera, una sferetta di acciaio, una biglia di vetro, una sferetta di legno, una sferetta di polistirolo, una sferetta di pongo, una pallina da ping pong, un pezzetto di ottone, un pezzetto di rame, un pezzetto di legno, un pezzetto di plastica, un pezzetto di polistirolo, un pezzetto di pongo]. Solo alcuni oggetti (il chiodo, il fermaglio, la moneta da 100 Lire, le monete da 1 e 2 Euro, il cubetto d’acciaio) vengono attirati dal magnete ossia interagiscono con esso. Sono oggetti di forma e dimensione diversa ed hanno in comune il fatto di essere costituiti da particolari metalli (come il ferro). Gli altri oggetti (es. le monete da 10 e 20 centesimi di Euro, tutti i pezzetti di rame, tutti gli oggetti di polistirolo, legno, pongo) non interagiscono con il magnete, indipendentemente dalla loro forma, dimensione, massa. Solo oggetti costituiti da particolari metalli (come ad esempio il ferro) interagiscono con un magnete. Gli oggetti costituiti da altri materiali (come il rame, l’alluminio, il polistirolo, il legno, il pongo, la plastica) non interagiscono con il magnete. 2 - LA CALAMITA E I SASSOLINI DI METALLI FERROMAGNETICI Si avvicina un magnete (una calamita) a oggetti di diversi metalli o leghe metalliche, come pezzetti di: ferro, alluminio, rame, ghisa, acciaio, acciaio inox, ottone, titanio, stagno, bronzo, nichel. Il magnete interagisce solo con i pezzetti di ferro, ghisa e acciaio, nichel. Non interagisce con i pezzetti degli altri metalli, come quelli di rame, alluminio, ottone, stagno, bronzo. Si riconoscono due classi di metalli: i metalli del primo tipo (come il ferro e in genere tutte le leghe che lo contengono e il nichel), che hanno la proprietà di interagire con il magnete, si dicono ferromagnetici; i metalli del secondo tipo (come il rame, l’alluminio...), non presentano tale proprietà e pertanto si possono chiamare non ferromagnetici. 5 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 6 3 - AVVICINIAMO I SASSOLINI FERROMAGNETICI Avvicinando tra loro due oggetti che interagiscono con un magnete (ferromagnetici), si nota che tra di loro non vi è alcuna interazione. Gli oggetti di materiale ferromagnetico, in genere, manifestano effetti magnetici solo in presenza di un magnete. Il magnete sembra indurre in loro una proprietà magnetica, che essi manifestano anche tra loro se c’è vicino un magnete che la induce. 4 - LE INTERAZIONI SONO RECIPROCHE Si avvicina uno dei poli di una calamita ad un piccolo oggetto di materiale ferromagnetico posto sul banco, ad esempio una piccola rana di plastica, che tiene in bocca un tondino ferromagnetico, o una moneta da 50 centesimi di Euro o una sferetta d’acciaio: l’oggetto viene attirato dalla calamita. Se si avvicina l’oggetto alla calamita posta sul banco, è quest’ultima ad essere attratta. L’interazione tra un magnete e un oggetto di materiale ferromagnetico è reciproca: sia il magnete attira l’oggetto, sia l’oggetto attira il magnete. 6 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 7 5 - I POLI DEI MAGNETI Tenendo stretti tra le dita due magneti li si avvicina tra di loro e se ne studia l’interazione. Si può riconoscere che ogni magnete attira una delle estremità dell’altro e respinge l’altra. Le estremità di ogni barretta magnetica rappresentano poli opposti. Poli opposti di magneti diversi si attraggono, mentre poli uguali si respingono. 6 - AFFACCIARE POLI DIVERSI AD UN MAGNETE SUL TAVOLO Avvicinando due poli diversi di un magnete tenuto stretto tra le dita e di uno appoggiato su di un tavolo, si nota un’attrazione tale da far sì che il magnete appoggiato sul tavolo si sollevi fino ad attaccarsi a quello tenuto in mano, anche se è un po’ distante. Avvicinando nello stesso modo poli uguali tra loro, non si nota più in modo evidente la repulsione, in quanto il magnete sul tavolo non viene spinto via ma si gira e poi si attacca all’altro. Questo avviene perché agiscono contemporaneamente due forze, una repulsiva ed una attrattiva, che provocano una rotazione, che porta poli opposti ad affacciarsi e a evidenziare l’effetto dovuto a quella attrattiva: i due magneti allora si attirano e si attaccano. 7 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 8 7 - UN MAGNETE NE DISTURBA UN ALTRO APPESO Appendendo una calamita con un filo di nylon questa diventa libera di muoversi facilmente, essendo l’attrito dell’aria molto minore di quello di un piano. Essa si dispone sempre in una precisa direzione. Avvicinando ad essa un altro magnete affacciato con lo stesso polo, si nota in modo evidente una rapida rotazione e poi un’attrazione. La rotazione è provocata dalle due forze in gioco: attrattiva tra poli opposti e repulsiva tra poli uguali dei due magneti. 8 - LA CALAMITA DISTURBA LA BUSSOLA Quando viene avvicinata una calamita ad una bussola, il suo aghetto ruota fino a quando uno dei suoi due estremi punta verso di essa. Se si gira la calamita, avvicinando alla bussola il suo polo opposto, anche l’aghetto ruota di 180 gradi e affaccia alla calamita l’estremo opposto. L’aghetto della bussola si comporta come se fosse un magnetino. 8 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 9 9 - IL MAGNETE COMANDA L’AGO DELLA BUSSOLA Se si avvicina un magnete ad una bussola, il suo ago si orienta con una punta verso una estremità del magnete: la punta dell’ago della bussola che si orienta verso nord viene attratta dal polo sud del magnete, e viceversa. Se si gira con un magnete attorno ad una bussola, il suo ago gira continuando a puntare il polo opposto della calamita. Solo nell’interazione tra due magneti si nota un comportamento simile quindi si può considerare l’ago della bussola come un piccolo magnete. 10 - LA DIREZIONE DELL’AGO DI UNA BUSSOLA L’ago di una bussola si posiziona sempre lungo la stessa direzione detta nord-sud, anche se la si sposta in punti diversi, l’importante è che sia lontana da oggetti ferromagnetici o calamite. Se è vicina ad altri magneti la direzione che assume il suo ago è quella determinata dai poli del magnete. 9 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 10 11 - LIBERI DI ORIENTARSI: I POLI DELLA CALAMITA Una piccola calamita, appesa ad un sostegno per mezzo di un filo, si dispone sempre con la stessa orientazione. Tale orientazione coincide con quella dell’ago di una bussola e coincide con la direzione nord-sud. Se si ripete l’osservazione si vede che è sempre la stessa parte del magnete ad orientarsi verso il nord indicato dalla bussola e sempre la stessa ad orientarsi verso sud. Se sul sostegno si pone un’altra calamita, anch’essa si dispone nella direzione nord-sud ed è sempre la stessa parte della calamita ad orientarsi a nord. Si chiama polo nord magnetico della calamita quello che si orienta verso il nord geografico, e l’altra parte, che si orienta verso sud, si chiama polo sud magnetico della calamita. 12 - LA BUSSOLA NELLA STANZA Si predispone una piantina della classe e si osserva come si orienta l’ago di una bussola collocata in alcuni punti prestabiliti. Confrontando gli aghetti delle bussole, dopo averli disegnati negli spazi appositi della piantina, si osserva che si orientano sempre lungo la direzione nord-sud, anche se li si sposta in punti diversi, l’importante è che siano lontano da oggetti ferromagnetici o calamite. 10 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 11 13 - ESPLORAZIONE DELLA NOSTRA CASA CON LA BUSSOLA Si fanno disegnare ai bambini degli oggetti (non ferromagnetici ne magnetici) della propria casa sopra o accanto alla “Rosa dei Venti” orientandoli in base ai punti cardinali: il proprio letto, il tavolo della cucina, la vasca da bagno, il marciapiede fuori casa. Questo esercizio serve per aumentare la capacità di utilizzare una bussola, orientarsi e rappresentare le direzioni e gli oggetti nello spazio. 14 - MAGNETI APPESI Se si avvicina il polo nord di un magnete appeso al polo sud di un altro magnete appeso, si osserva che i magneti si attraggono. Se si avvicinano poli omologhi (nord-nord o sud-sud) dei due magneti si osserva che uno di essi ruota di 180° e poi i magneti si attraggono. 15 - ZATTERINE MAGNETICHE Se si avvicina il polo nord di un magnete fissato su una zatterina galleggiante di polistirolo al polo sud di un altro magnete galleggiante, si osserva che i magneti si attraggono. Se si avvicinano i poli omologhi (nordnord o sud-sud) dei due magneti si osserva che uno di essi ruota di 180° e poi i magneti si attraggono. 11 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 12 16 - ZATTERINE MAGNETICHE INCANALATE Due zatterine sono poste in una guida rettilinea. Alle zatterine sono fissati due magneti. Quando esse si avvicinano si osserva attrazione se si trovano affacciati poli opposti (nord-sud o sud-nord) e repulsione se si trovano affacciati poli omologhi (nord-nord o sud-sud). 17 - MAGNETI IN TRENO Due magneti rettilinei si trovano all’interno di due trenini inseriti in una guida rettilinea. Quando essi si avvicinano si osserva attrazione se si trovano affacciati poli opposti (nord-sud o sud-nord) e repulsione se si trovano affacciati poli omologhi (nord-nord o sud-sud). 18 - MAGNETI IN UN TUBICINO Due magneti a bastoncino sono inseriti in un tubo di plexiglass trasparente. Con il tubo disposto verticalmente, si osserva che i due magneti restano separati, se sono affacciati poli omologhi (nord-nord o sud-sud). La repulsione tra i poli omologhi dei due magneti è sufficiente a sostenere il peso di un magnetino sospeso. Quando si appesantisce il magnetino, la distanza diminuisce. 12 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 13 19 - LA DISTANZA NELLE INTERAZIONI MAGNETICHE Si mostra come la distanza influisca sull’interazione. Più lontani sono due magneti e più l’attrazione è debole, fino a non essere più percepita. Viceversa, più i magneti sono vicini più la forza di attrazione è intensa e i magneti si avvicinano fino ad attaccarsi. 20 - ATTRAZIONE TRA MAGNETI E DISTANZA: UNA MISURA Due magneti sono fissati su due trenini con i poli opposti affacciati e quindi in una situazione attrattiva. Uno dei due trenini è fissato alla rotaia. L’altro è fissato ad un dinamometro e tenuto distante dal primo da alcuni piccoli divisori tutti uguali. Si tira il dinamometro fino al raggiungimento della situazione di equilibrio appena precedente al distacco dei due trenini e si misura l’allungamento della molla. Si ripete la misura togliendo ogni volta un divisorio, per misurare la forza attrattiva a distanze sempre minori. Costruendo un grafico con i dati ricavati si trova che la forza magnetica cresce molto rapidamente con il diminuire della distanza ed è inversamente proporzionale al quadrato della distanza, solo per piccole distanze. 13 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 14 21 - REPULSIONE TRA MAGNETI E DISTANZA: UNA MISURA Due magneti sono infilati in un tubicino con i poli omologhi affacciati e quindi in una situazione repulsiva. Il magnete soprastante rimane sollevato dalla forza repulsiva tra i poli omologhi dei due magneti. Aumentando il peso del magnete soprastante (aggiungendo sopra di lui dei pesetti di materiale non interagente con i magneti) si vede diminuire la distanza tra i due magneti. Si misura tale distanza aggiungendo ogni volta un pesetto noto sopra gli altri. Costruendo un grafico con i dati ricavati si trova che la forza magnetica cresce rapida- mente al diminuire della distanza e si vede cha aumenta con l’inverso del quadrato e il cubo della distanza. 22 - COMPORTAMENTO DI DUE MOLLE IN TENSIONE Si utilizzano due dinamometri fissati agli estremi di due magneti in attrazione in un tubicino. Si studia come si allungano entrambe le molle della stessa lunghezza prima tenendone ferma una e poi tirando entrambe misurando gli allungamenti tramite le scale graduate presenti sui dinamometri. Si ripete la misura per diverse distanze di equilibrio dei magneti e si riscontra che, per piccole distanze tra i poli dei magneti, il prodotto dell’al- 14 lungamento delle molle (Dl) per il quadrato della distanza trai i poli affacciati dei magneti (d2) è costante (Dl*d2=cost). Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 15 23 - PORTATA DI UN MAGNETE Il numero di oggetti uguali, per esempio rondelle, che riesce a sollevare in fila, viene chiamato “portata” del magnete, cioè la forza di sollevamento pesi di tale magnete. 24 - MAGNETI IN SERIE E IN PARALLELO Magneti in serie producono lo stesso effetto di un solo magnete: si comportano come un unico magnete. Magneti in parallelo sollevano un numero doppio di oggetti uguali. Agiscono sommando gli effetti dei singoli magneti. 15 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 16 25 - LA DEVIAZIONE DELL’AGO DELLA BUSSOLA CHE SI AVVICINA AL MAGNETE Una bussola viene posizionata su di un foglio con disegnata una linea graduata e il foglio viene orientato in modo che l’ago si posizioni perpendicolarmente alla linea disegnata. All’altro capo della linea viene posto un magnete. Si misura la proiezione di un raggio fisso avente l’inclinazione dell’aghetto, avvicinando la bussola ogni volta di una tacca. Costruendo un grafico con i dati ricavati si trova che il prodotto della proiezione misurata con il quadrato e/o del cubo della distanza è costante. Il contributo del magnete alla 26 - I POLI DI UN MAGNETE E LA GRAFFETTA Se si avvicina un oggetto ferromagnetico ad un magnete esso viene attratto dalla calamita solo nelle due estremità e non interagisce con la parte centrale. I poli magnetici sono localizzati in lati opposti della calamita. Inoltre l’oggetto ferromagnetico è attirato dalla calamita in ogni sua parte e da entrambi i poli della calamita, a differenza dell’aghetto della bussola. 16 direzione dell’ago si somma con quello del campo magnetico terrestre. Tale contributo cresce con il cubo della distanza (contributo di dipolo) della bussola. Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 17 27 - IL MAGNETE SPEZZATO Se si spezza a metà una calamita si ottengono più parti che si comportano ognuna come la calamita di origine. Esplorando ciascuna parte ottenuta con un oggetto ferromagnetico, si vede che questo sente attrazione sempre nelle estremità delle nuove parti ottenute. Esplorando poi tali parti con un altro magnete, si nota che ciascun pezzo della calamita presenta poli opposti che interagiscono come se fossero due nuove calamite uguali. Ogni calamita è dotata di un polo nord e di un polo sud. 28 - LE CALAMITE CONGIUNTE Ogni calamita è dotata di un polo nord e di un polo sud. Si avvicinano due poli opposti (nord-sud) di due magneti uguali. Il sistema formato dai due magneti attaccati si comporta come un’unica calamita di lunghezza doppia: un oggetto di materiale ferromagnetico viene attratto solo dalle estremità (i poli), mentre non interagisce con la zona centrale del magnete composto. Una serie di più magneti uguali si comporta come un’unica calamita con i poli situati alle estremità. Se si separano uno ad uno i vari elementi si riottengono ogni volta coppie di magneti con poli nord e sud. 17 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 18 29 - LA PAGLIETTA D’ACCIAIO E IL MAGNETE Della paglietta di acciaio è sparsa in modo uniforme all’interno di una piccola scatola di plastica. Avvicinando al supporto un magnete si nota che la paglietta segue i suoi movimenti. Se si distende un magnete sotto alla scatolina si nota che la limatura di ferro si aggrega formando dei filamenti, disposti a raggiera intorno ai poli magnetici della calamita. Alcuni filamenti si dispongono sul piano d’appoggio, alcuni perpendicolarmente ad esso e altri obliquamente. Lo spazio in presenza di un magnete acquista una nuova proprietà: diventa sede di una proprietà magnetica, di un campo magnetico. Tale campo può essere evidenziato dalla disposizione della paglietta di acciaio. Se ne ottiene una rappresentazione in questo modo: si appoggia la scatolina con la calamita sotto ad un tavolino di vetro su cui è stato appoggiato un foglio di acetato trasparente, con un pennarello si tracciano delle linee, che seguono gli andamenti dei filamenti di limatura di ferro. Cambiando la posizione o solo l’orientazione 18 della scatolina, si ottiene la stessa rappresentazione. Essa è perciò caratteristica degli effetti del magnete considerato nello spazio circostante. Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 19 30 - LA BUSSOLA NELLO SPAZIO VICINO AL MAGNETE Si distende una calamita su di un foglio di carta bianca, si avvicina al magnete una bussola e, con un pennarello, si segna sul foglio la direzione assunta dall’aghetto della bussola nei vari punti. Ripetendo la stessa operazione in tanti punti dello spazio attorno al magnete, si ottiene un disegno costituito da linee curve che si chiudono attorno al magnete stesso sul suo lato, e che partono per formare curve molto grandi alle estremità della calamita. Nei due poli della calamita si ottiene lo stesso disegno. 31 - UNA BIGLIA DI ACCIAIO NELLO SPAZIO VICINO AL MAGNETE Sopra al disegno ottenuto esplorando il campo magnetico di una calamita con la bussola, si appoggia una biglia di acciaio. La si pone su una delle linee di campo magnetico costruite davanti a uno dei due poli del magnete e la si lascia libera. La biglia si muove e si avvicina al polo con velocità crescente, seguendo una traiettoria rettilinea, fino ad attaccarsi ad esso. 19 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 20 32 - IL MAGNETE E LA RAPPRESENTAZIONE DEI SUOI EFFETTI Si sovrappongono i tre disegni ottenuti: con la paglietta di acciaio, con la bussola e con la biglia di acciaio. Si nota che i tre disegni sono molto simili tra loro. Da questo si può concludere che le linee del campo magnetico sono le stesse per tutte le calamite a forma allungata e si possono disegnare usando diversi oggetti (barrette) ferromagnetici o aghetti magnetici (bussoline). 33 - IL MOTO IN UN CAMPO MAGNETICO Una biglia d'acciaio viene fatta scendere lungo una guida incurvata che si raccorda con un piano orizzontale. La sua traiettoria sul piano, inizialmente rettilinea, viene deflessa quando la biglia passa in prossimità del polo di un magnete. Se intorno al magnete sono disegnate le linee del campo da esso generato, si può immediatamente riconoscere che la biglia segue una traiettoria che interseca le diverse linee di campo, ma non ne segue alcuna. La sua velocità cambia direzione ad ogni istante ossia in ogni punto da essa occupato. Questo indica che sulla biglia agisce una forza prodotta dal magnete sulla sferetta. 20 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 21 34 - MAGNETIZZAZIONE TEMPORANEA Avvicinando tra loro due oggetti ferromagnetici (che interagiscono con un magnete), si nota che tra di loro non vi è alcuna interazione. Se si avvicina un chiodo a contatto con una calamita, ad un altro chiodo, esso viene attirato dall’altro chiodo. Il chiodo a contatto con una calamita diventa un magnete temporaneo. Gli oggetti di materiale ferromagnetico manifestano effetti magnetici solo in presenza di una calamita. 35 - IL CHIODO DIVENTA UNA CALAMITA Si trasforma un corpo ferromagnetico in un magnete permanente strofinando uno dei poli di una calamita sulla punta di un chiodo, sempre nello stesso verso e sempre lo stesso polo. Avvicinando poi la punta di tale chiodo a un altro chiodo si osserva che riesce ad attrarlo. Il chiodo è diventato un magnete, ossia si è magnetizzato. Tutti gli oggetti di materiale ferromagnetico possono diventare magneti. 21 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 22 36 - APRIAMO UN GEOMAG Incidendo la plastica di una barretta di “Geomag” con un taglierino si riesce ad aprirlo per vedere com’è fatto al suo interno. Si nota che il Geomag non è costituito da un’unica barretta magnetica ma da due piccoli cilindretti magnetici posti alle estremità di una barretta di metallo ferromagnetico. I due cilindretti sono attaccati magneticamente alla barretta da una parte con il proprio polo sud e dall’altra con il proprio polo nord. Questo comporta che i due poli della struttura risultante siano uno l’opposto dell’altro e che il 37 - COSTRUIAMOCI UNA BUSSOLA Dopo aver strofinato uno dei poli di una calamita sulla punta di un ago, sempre nello stesso verso, si osserva che l’ago può attrarre piccoli pezzetti di ferro. L’ago disposto su un supporto galleggiante di polistirolo si orienta nello stesso modo dei magneti permanenti galleggianti o di una bussola. L’ago è diventato un magnete, ossia una bussola galleggiante. 22 cilindro ferromagnetico acquisti proprietà magnetiche perché a contatto con due calamite. Quindi tale barretta composita si comporta come un’unica calamita. Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 23 38 – UNA BUSSOLA VICINO AD UN FILO PERCORSO DA CORRENTE ELETTRICA In un filo di rame rettilineo e sufficientemente lungo si può far circolare corrente elettrica collegandone i capi a una batteria e a un piccolo carico. Una bussola posta nelle vicinanze del filo non risente di alcun effetto se non circola corren- te sul filo. Essa si orienta nella direzione nord-sud in assenza di altri campi magnetici agenti. Quando circola corrente nel filo la bussola si orienta perpendicolarmente al filo se viene disposta sopra o sotto ad esso. 23 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 24 39 - ESPLORARE L’EFFETTO MAGNETICO DELLA CORRENTE Si dispongono due o più bussole in posizioni diverse rispetto ad un filo rettilineo percorso da corrente: sotto ad esso, sopra di esso, in direzione longitudinale rispetto ad esso. L’ago della bussola: ruota fino a portarsi ortogonalmente rispetto al filo stesso, rispettivamente con verso opposto, se posto sopra e sotto di esso; non subisce alcun effetto se è disposto lungo la direzione del filo. Se si inverte il verso della corrente nel filo si inverte anche l’orientazione degli aghi delle bussole disposte sopra e sotto il filo. L'effetto magnetico di una corrente si manifesta in direzione perpendicolare alla direzione della corrente. Il campo magnetico prodotto ha verso opposto sopra e sotto il filo.Tale verso è fissato una volta fissato il verso della corrente. Se si riduce l'intensità di corrente nel filo l'inclinazione dell'ago è intermedia tra quella 40 - ESPLORARE IL CAMPO MAGNETICO PRODOTTO DA UN FILO PERCORSO DA CORRENTE Intorno ad un filo elettrico sospeso verticalmente sono disposte alcune bussole. Quando nel filo circola corrente gli aghi delle bussole ruotano dalla loro orientazione iniziale, lungo la direzione nord-sud, verso una nuova orientazione lungo una direzione perpendicolare al filo e alla congente al filo stesso. Gli aghi di bussole poste tutto 24 nord-sud e quella perpendicolare al filo. Una corrente elettrica produce un campo magnetico che dipende dall’intensità della corrente stessa. intorno al filo si dispongono lungo circonferenze concentriche con il filo stesso. Se si allontanano le bussole dal filo l'effetto diminuisce. Il campo magnetico prodotto da un filo rettilineo percorso da corrente risulta essere punto per punto perpendicolare al filo stesso e decresce con la distanza dal filo. Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 25 41 - IL CAMPO MAGNETICO PRODOTTO DA UN SOLENOIDE PERCORSO DA CORRENTE Un filo elettrico viene avvolto su un rocchetto per formare un avvolgimento cilindrico, costituito da una serie di spire praticamente parallele fra loro (solenoide). Quando nel filo circola corrente, si può esplorare il campo magnetico, che viene generato, con una bussola, posta in diversi punti: all’esterno del solenoide, alle sue estremità, al suo interno. Si riconosce che il campo magnetico prodotto dall’avvolgimento percorso da corrente è molto simile a quello di un magnete lineare, con i poli magnetici posti in corrispondenza delle estremità dell’avvolgimento. Se con una bussola si descrive una linea chiu- sa passando dall’interno all’esterno del solenoide e muovendosi sempre nello stesso senso, l’ago descrive una linea chiusa mantenendo sempre lo stesso polo nel verso dello spostamento. All’interno dell’avvolgimento la bussola si orienta lungo l’asse dell’avvolgimento stesso con verso opposto rispetto al verso che assume all’esterno. 42 - INTERAZIONE TRA CORRENTI ELETTRICHE. L’ESPERIENZA DI AMPERE Due fili elettrici vengono sospesi in modo da essere disposti parallelamente. I loro capi si chiudono su una batteria in modo da formare un circuito in serie. La corrente che circola nei due fili in questo caso è opposta. Si osserva che i due fili si allontanano fra loro. Se nei fili si fanno circolare correnti nello stesso verso, effettuando gli opportuni collegamenti, si osserva che i due fili si avvicinano. Due fili elettrici si attraggono quando in essi circolano correnti concordi, si respingono se le correnti sono discordi. 25 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 26 43 - INTERAZIONE TRA UN MAGNETE E UN SOLENOIDE PERCORSO DA CORRENTE L’estremità di un soleneoide viene posta vicino ad uno dei poli di un magnete. Quando nel solenoide circola corrente elettrica il magnete e il solenoide interagiscono. A seconda del verso della corrente e del polo del magnete più vicino al soleneoide essi si attraggono o si respingono reciprocamente. Se ad esempio si è osservato un effetto attrattivo, invertendo il verso della corrente si osserva repulsione. Analogamente si osserva repulsione se si mantiene lo stesso verso della corrente, ma si inverte il magnete, in modo da cambiare la polarità della parte più vicina al solenoide. Si possono amplificare gli effetti, fissando all’interno del solenoide un oggetto di materiale ferromagnetico (una vite o un cilindro d’acciaio). Il solenoide percorso da corrente elettrica produce un campo simile a quello prodotto da un magnete di uguali dimensioni e quindi si comporta in modo analogo nell’interazione con un altro magnete. 26 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 27 44 - INTERAZIONE TRA UN SOLENOIDE PERCORSO DA CORRENTE E UN OGGETTO FERROMAGNETICO Si pone un oggetto ferromagntico (ad esempio una vite o cilindretto d’acciaio) vicino all’estremità di un solenoide. Quando nel solenoide circola corrente elettrica, esso solenoide e oggetto si attraggono. Il solenoide si comporta come un magnete di uguale forma anche nell’interazione con un altro oggetto ferromagnetico. 45 - INTERAZIONE TRA SOLENOIDI PERCORSI DA CORRENTE Le estremità di due solenoidi sono affacciate. Quando nei due solenoidi circola corrente elettrica, essi interagiscono. Se si inverte la corrente in uno di essi gli effetti si invertono. Si può ricostruire il verso della corrente nei due solenoidi, a partire dal modo con cui sono state connesse le polarità delle batterie di alimentazione. Si riconosce allora che si hanno effetti attrattivi (repulsivi) quando nei due solenoidi circolano correnti con verso concorde (opposto). Ciascuno dei due solenoidi si comporta come un magnete. Se le correnti circolano nello stesso verso le polarità affacciate sono opposte e si ha quindi attrazione. Se le correnti circolano in verso opposto le polarità affacciate risultano omologhe e quindi si ha repulsione. 27 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 28 46 - INTERAZIONE TRA BOBINE PERCORSE DA CORRENTE Le spire di due solenoidi vengono compattate avvicinandole fra loro, ma mantenendo ciascuna spira isolata elettricamente dalle spire vicine. Si ottengono in questo modo due bobine. Le due bobine accostate si attraggono o si respingono a seconda del verso della corrente che viene fatta circolare in esse, come si può osservare con i solenoidi. A parità di numero di spire, gli effetti risultano amplificati, rispetto a quelli osservati con due solenoidi. Gli effetti magnetici prodotti da due bobine dipendono dalla densità delle spire. 28 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 29 47 - L’ELETTROMAGNETE Un filo elettrico dotato della guaina isolante viene avvolto su un nucleo ferromagnetico (ad esempio un cilindro o semplicemente un chiodo o una vite di ferro dolce). Quando nel filo circola corrente il nucleo si comporta come un magnete e quindi attrae altri oggetti ferromagnetici posti nelle vicinanze. Quando non circola corrente nel filo il nucleo non produce alcun effetto magnetico sugli oggetti vicini. Questo apparato esemplifica il funzionamento di un elettromagnete (o elettrocalamita). Se si raddoppia la corrente, ponendo due pile uguali in parallelo, si raddoppia l'effetto magnetico prodotto dall’elettromagnete. Se si raddoppia la densità degli avvolgimenti, raddoppiando il numero di spire avvolte, l’elettromagnete così ottenuto esercita azioni di intensità doppia, a parità di altre condizioni. 29 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 30 Magnetismo 15-06-2007 15:58 Pagina 31 indice pag. 3 pag. 5 PRESENTAZIONE 1 - AVVICINARE UN MAGNETE AD OGGETTI DI VARI MATERIALI 2 - LA CALAMITA E I SASSOLINI DI METALLI FERROMAGNETICI pag. 6 3 - AVVICINIAMO I SASSOLINI FERROMAGNETICI 4 - LE INTERAZIONI SONO RECIPROCHE pag. 7 5 - I POLI DEI MAGNETI 6 - AFFACCIARE POLI DIVERSI AD UN MAGNETE SUL TAVOLO pag. 8 7 - UN MAGNETE NE DISTURBA UN ALTRO APPESO 8 - LA CALAMITA DISTURBA LA BUSSOLA pag. 9 9 - IL MAGNETE COMANDA L’AGO DELLA BUSSOLA 10 - LA DIREZIONE DELL’AGO DI UNA BUSSOLA pag. 10 11 - LIBERI DI ORIENTARSI: I POLI DELLA CALAMITA 12 - LA BUSSOLA NELLA STANZA pag. 11 13 - ESPLORAZIONE DELLA NOSTRA CASA CON LA BUSSOLA 14 - MAGNETI APPESI 15 - ZATTERINE MAGNETICHE pag. 12 16 - ZATTERINE MAGNETICHE INCANALATE 17 - MAGNETI IN TRENO 18 - MAGNETI IN TUBICINO pag. 13 19 - LA DISTANZA NELLE INTERAZIONI MAGNETICHE 20 - ATTRAZIONE TRA MAGNETI E DISTANZA: UNA MISURA pag. 14 21 - REPULSIONE TRA MAGNETI E DISTANZA: UNA MISURA 22 - COMPORTAMENTO DI DUE MOLLE IN TENSIONE pag. 15 23 - PORTATA DI UN MAGNETE 24 - MAGNETI IN SERIE E IN PARALLELO pag. 16 25 - LA DEVIAZIONE DELL’AGO DELLA BUSSOLA CHE SI AVVICINA AL MAGNETE 26 - I POLI DI UN MAGNETE E LA GRAFFETTA pag. 17 27 - IL MAGNETE SPEZZATO 28 - LE CALAMITE CONGIUNTE pag. 18 29 - LA PAGLIETTA D’ACCIAIO E IL MAGNETE pag. 19 30 - LA BUSSOLA NELLO SPAZIO VICINO AL MAGNETE 31 - UNA BIGLIA DI ACCIAIO NELLO SPAZIO VICINO AL MAGNETE pag. 20 32 - IL MAGNETE E LA RAPPRESENTAZIONE DEI SUOI EFFETTI 33 - IL MOTO IN UN CAMPO MAGNETICO pag. 21 34 - MAGNETIZZAZIONE TEMPORANEA 35 - IL CHIODO DIVENTA UNA CALAMITA pag. 22 36 - APRIAMO IL GEOMAC 37 - COSTRUIAMOCI UNA BUSSOLA pag. 23 38 - UNA BUSSOLA VICINO AD UN FILO PERCORSO DA CORRENTE ELETTRICA Magnetismo 15-06-2007 pag. 24 15:58 Pagina 32 39 - ESPLORARE L’EFFETTO MAGNETICO DELLA CORRENTE 40 - ESPLORARE IL CAMPO MAGNETICO PRODOTTO DA UN FILO PERCORSO DA CORRENTE pag. 25 41 - IL CAMPO MAGNETICO PRODOTTO DA UN SOLENOIDE PERCORSO DA CORRENTE 42 - INTERAZIONE TRA CORRENTI ELETTRICHE: L’ESPERIENZA DI AMPERE pag. 26 43 - INTERAZIONE TRA UN MAGNETE E UN SOLENOIDE PERCORSO DA CORRENTE pag. 27 44 - INTERAZIONE TRA UN SOLENOIDE PERCORSO DA CORRENTE E UN OGGETTO FERROMAGNETICO pag. 28 46 - INTERAZIONE TRA BOBINE PERCORSI DA CORRENTE pag. 29 47 - L’ELETTROMAGNETE 45 - INTERAZIONE TRA SOLENOIDI PERCORSI DA CORRENTE
