AIL - Il magnetismo

 IL MAGNETISMO Un po’ di storia… Il nome magnetismo deriva dalla "pietra di Magnesia": la magnetite. La magnetite è il più antico materiale magnetico conosciuto, era già noto agli antichi Greci e prende il nome dalla regione greca della Magnesia. Il termine "magnetismo" deriva quindi dal nome del minerale. Fino al 1820 l’elettricità e il magnetismo erano considerati come fenomeni separati. Con la scoperta di Hans Christian Oersted che un filo percorso da corrente poteva far muovere un ago magnetico, si comprese che erano due aspetti diversi di un unico fenomeno naturale. Inoltre per parecchio tempo dopo la loro scoperta, non si era del tutto consapevoli che l’elettricità di tipo statico ottenuta per frizione e conosciuta già dall’antica Grecia, quella di tipo galvanico scoperta da Volta con la pila nel 1799 e quella ottenuta per induzione muovendo un magnete verso un filo metallico scoperta da Faraday nel 1831 fossero aspetti diversi di un solo fenomeno: la carica elettrica delle particelle che compongono la materia. Oggi quindi parliamo in generale di elettromagnetismo. 1 Cosa sono i magneti? Un magnete è un corpo che genera un campo magnetico: come un’azione a distanza. I magneti sono attratti o respinti da diversi materiali. Ad esempio un materiale di ferro o di nichel o di leghe che li contengono è molto attratto da un magnete. 2 Cos’è la magnetite? Come detto sopra, il nome deriva dalla "pietra di Magnesia". La magnetite è uno dei minerali magnetici più diffusi sulla Terra ed è anche il più “magnetico”, la sua formula chimica è Fe3O4. 3 Cos’è una calamita? Le calamite hanno sempre due poli. Una proprietà interessante dei magneti naturali è che presentano sempre sia un polo nord sia un polo sud. Anche spezzandoli, infatti, i due magneti risultanti avranno ancora ciascuno una coppia di poli opposti. 4 Anche la Terra funziona come un magnete? Anche per la Terra si parla di polo Nord e Sud. È come se ci fosse una calamita diritta disposta lungo l’asse dal polo Nord al polo Sud. Ma attenzione! Il polo Nord geografico corrisponde (o quasi) con il polo Sud magnetico e viceversa. Quindi il polo Nord terrestre è in realtà un polo sud magnetico e viceversa. Nel corso della storia il campo magnetico terrestre ha cambiato la sua polarità diverse volte . L’Epoca in cui viviamo oggi è definita, per convenzione, a polarità normale ed è cominciata circa 780 000 anni fa. Precedentemente vi è una epoca a polarità inversa quindi ancora normale poi inversa e così via di seguito. 5 Cos’è un campo magnetico? I magneti generano un campo magnetico. Per visualizzare il suo andamento, tra il polo nord e il polo sud, possiamo immaginare delle linee che chiamiamo linee di forza. I magneti generano quindi un’azione a distanza tra il loro polo nord e il polo sud. A livello microscopico, il campo magnetico si definisce come la proprietà di una carica elettrica in movimento di produrre una forza su una qualsiasi altra carica in movimento. Le calamite sono sorgenti di campi magnetici permanenti e sono generati dalle correnti prodotte dal moto di rotazione degli elettroni degli atomi che lo compongono. 6 Chi genera campi magnetici? Oltre che i minerali che si trovano in natura come la magnetite, possiamo ottenere un magnete (una calamita) sottoponendo più volte un pezzo di materiale ferroso a un campo magnetico. In pratica con una calamita, possiamo magnetizzare un ago o un chiodo di ferro passandolo più volte vicino alla calamita. A ogni passaggio, all’interno dell’ago o del chiodo, avviene un allineamento dei piccoli campi magnetici che esistono in questi materiali a livello microscopico che genera un campo magnetico esterno. Come già detto, anche un filo percorso da corrente genera un campo magnetico, per vedere questo effetto basta prendere una pila e collegare i due poli con un filo di rame vicino a una bussola. Si potrà vedere immediatamente la rotazione dell’ago per effetto del campo magnetico prodotto con il passaggio della corrente (attenzione che a pila in questo modo si scarica in fretta!) 7 Come funziona una bussola? La bussola è uno strumento che serve per determinare i punti cardinali: NORD, SUD, EST e OVEST. Contiene un ago calamitato che ha la proprietà di dirigersi sempre verso il nord geografico. Nel corso dei secoli l’asse tra i due poli magnetici cambia leggermente di posizione. 8 Tutti i pianeti hanno un campo magnetico? Nel sistema solare Mercurio, Terra, Giove, Saturno, Urano e Nettuno hanno un campo magnetico. In questi pianeti, il campo magnetico (magnetosfera) protegge la superficie della Terra dalle particelle cariche che arrivano dal Sole (vento solare). La sua forma è compressa verso il Sole (il giorno) dalle radiazioni in arrivo e più estesa dal lato opposto (la notte). 9 Qual è la differenza fra un magnete e un elettromagnete? In un elettromagnete il campo magnetico è generato dalla corrente che percorre un filo conduttore. Di solito è formato da una bobina di filo di rame con tante spire avvolta attorno a un nucleo di materiale ferroso che aumenta il campo magnetico. Quando cessa la corrente elettrica il campo magnetico scompare quasi del tutto, rimane solo una debole magnetizzazione residua nel nucleo. 10 Qual è la differenza fra un motore e un generatore elettrico? Sono costituiti dagli stessi elementi: una bobina e un campo magnetico. Nel motore elettrico circola corrente nella bobina e si ottiene il movimento, nel generatore elettrico se si fa ruotare la bobina e si ottiene la corrente. Se non ci sono i magneti, non c’è interazione tra circuito e campo magnetico e il generatore non funziona 11 Dove si comperano i magneti? Magneti di ogni tipo si trovano da SuperMagnete http://www.supermagnete.it/ Bisogna fare molta attenzione con i magneti al neodimio, le avvertenze sono riportate al sito http://www.supermagnete.ch/ita/safety_neodymium.php Suggerimenti per esperimenti con i magneti Costruiamo una bussola Materiale Bussola galleggiante o sospesa magnete a cilindro (SuperMagnete http://www.supermagnete.it) anello di polistirolo stecchino da spiedino vasca riempita d’acqua disegno di una meridiana nastro adesivo Per quella sospesa: filo da pesca vite ad anello Attività Infilzare lo stecchino nell’anello in modo che segua un diametro. Attaccare con il nastro adesivo il magnete al centro dello stecchino. Nell’acqua: per orientare la bussola appena costruita utilizzare una vaschetta piena d’acqua e controllare l’orientamento con un’altra bussola. Poi posizionare il nord del disegno. In aria: avvitare la vite ad anello come in figura. Appendere l’anello con il filo di nailon. Segnare quale delle due estremità indica il Nord Nord Il Flipper magnetico Componenti binario di alluminio profilato a U (1 m, 10 mm altezza bordo, 10 mm larghezza interna) acquistabile nei negozi Do it 2/3 stringi cavi di plastica Magneti e sfere: catalogo http://www.supermagnete.it/ 5/7 Sfere d’acciaio, diametro 12.7 mm K-­‐13-­‐N 2/3 Magneti: S-­‐12-­‐06-­‐N, diametro 12 mm, spessore 6 mm Costruzione Fissare i magneti al binario come in figura e mettere le sfere nelle posizioni indicate. Due sfere dopo ciascun magnete e una prima del primo magnete. Avvicinare la sfera al primo magnete e osservare la posizione finale a ) b) Nella foto b) l’ultima sfera è rimbalzata indietro dopo aver colpito il fermo a fine binario. Il tubo mag(net)ico Il magnete scendendo genera delle correnti nel metallo (alluminio o rame). Queste correnti producono un campo magnetico che frena la caduta del magnete. Il magnete scende quindi di moto uniforme sia lungo il binario e sia dentro il tubo. Si può fare con due sfere di acciaio, una non magnetizzata e l’altra magnetizzata, e si vede che una scende liberamente e la seconda invece scende lentamente frenata dalla forza magnetica che si oppone al moto. Il tubo deve essere di alluminio o rame ma non di ferro perché altrimenti il magnete si attacca subito al tubo. L’effetto si può vedere anche un profilo di alluminio messo come scivolo: Il motore unipolare Un semplicissimo tipo di motore elettrico, privo di utilità pratica ma interessante dal punto di vista didattico, è formato da 4 parti: -­‐ una pila da 1,5 volt -­‐ una moneta da 5 centesimi -­‐ un magnete piccolo ma potente -­‐ un chiodo -­‐ un pezzo di filo per collegamenti spellato alle due estremità. Il magnete deve essere leggero ma abbastanza potente da far sì che, attaccato ad un'estremità della moneta la faccia rimanere attaccata al polo positivo della pila. Una volta "montato" il motore si prende un pezzo di filo per collegamenti spellato alle due estremità e si pone una di queste a contatto col polo negativo della pila mentre con l'altro si tocca il magnete, la moneta si metterà a girare molto velocemente. Il contatto costituisce un vero e proprio cortocircuito, per cui sia il filo che la moneta ed il magnete si scalderanno rapidamente e la batteria si scaricherà in pochi minuti. Il motore elettrico La corrente prodotta dalle pile (nella figura a destra è posta una pila all’interno della scatola di plastica) percorre la bobina e genera un campo magnetico. Questo interagisce con quello della calamita provocando una coppia di forze che imprime la rotazione. Il filo della bobina è laccato e la lacca deve essere asportata nelle estremità che appoggiano sulle due staffe. Le estremità devono essere grattate solo da una parte del filo in modo che il contatto avvenga solo per mezzo giro, altrimenti la bobina tenderebbe a ritornare indietro e non compierebbe delle rotazioni complete. Giochi con i magneti Il magnetron Ogni stella a tre punte ha un magnete all’estremità. Le stelle ruotano con poco attrito e il movimento è caotico perché si trasferisce da una all’altra; una si ferma e si muove l’altra, una accelera e l’altra decelera ecc. La trottola magnetica La trottola ha un perno su cui sono posti alle estremità dei magneti che la tengono vincolata al sostegno metallico. La trottola si muove all’interno e all’esterno del sostegno come uno yoyo. Con un rapido movimento della mano inizia a salire e scendere lungo il sostegno. Il Levitron E’ composto da una trottola magnetica e da una piattaforma. All'interno della piattaforma sono disposti in maniera opportuna una serie di magneti. Il campo magnetico generato da questi magneti è studiato in modo da permettere alla trottola di restare sospesa (levitare) a circa 3 centimetri di altezza sull'asse verticale della piattaforma. Oggetti levitanti Vi sono molto giochi in cui si vedono degli oggetto levitare nell’aria. Sono sospesi grazie a campi magnetici, alcuni con unicamente calamite, altri con elettrocalamite e sensori che ne modificano il campo secondo la posizione per dosare la giusta forza per farlo rimanere sospeso. Pendolo caotico Il pendolo oscilla nel campo magnetico prodotto da alcuni magneti posti nella base. E’ utilizzato come “pendolo decisionale” in cui sulla base vi sono diverse scritte corrispondenti ad esempio alla risposta alla domanda “cosa fare stasera?”. Geomag Il Geomag è il gioco di magneti più diffuso e con il quale si possono costruire figure geometriche e anche diversi altri oggetti.