Designing and building
Helmholtz coils: cooperative
and learning by doing
V. Abiuso1, D. Peddis2,3, G. Righini2, L. Gioffrè1, L. Tamburro1, G.
Moscatelli1, L. Pirri1, M. Ghergut1 and G. Varvaro2
Liceo Scientifico Statale “Giuseppe Peano”Via della Fonte, 9 – Monterotondo (RM)
Istituto di Struttura della Materia - CNR, 00016 Monterotondo Scalo (RM), Italy
3Comitato Scienza Societa Scienza. Via Alghero 37 - 09127 Cagliari
1
2
Nascita dell’idea
Progetto
Nanoscienze e nanomateriali magnetici
Attività sperimentale: “alberelli magnetici”
preparazione di MeFe2O4 (Me= Fe3+, Co2+, Ni2+)
nanocristallino mediante sol gel di autocombustione
Esigenza
realizzare un dispositivo che generi un campo magnetico
uniforme in cui studiare la crescita degli “alberelli magnetici”
Scelta progettuale: bobina di Helmholtz
Il gruppo
Supervisione tecnico-scientifica: D. Peddis e G. Varvaro (CNR-ISM)
Coordinatore didattico: V. Abiuso (Liceo G. Peano – Monterotondo)
Consulenza tecnico-informatica: G. Righini (CNR - ISM) per la piattaforma
Moodle http://peano.mlib.cnr.it/login/index.php
Consulenza tecnica: tecnici dei laboratori di Fisica, Scienze e Informatica del
Liceo G. Peano, un tecnico del CNR-ISM
Gruppo misto di alunni:
3 alunni del 5° partecipano alle fasi di formazione e avvio del progetto aiutando gli
alunni del 4° ad acquisire le competenze di base necessarie in elettromagnetismo
2 alunni del 4° partecipano a tutte le fasi del progetto. Saranno gli “esperti” del gruppo
che si formerà l’anno successivo per l’assemblaggio e il testing dell’apparecchiatura.
Schema di processo
Formazione e motivazione del gruppo (marzo 2015) – alunni 4° e 5° anno
Lavoro di ricerca (aprile 2015) – alunni 4° e 5° anno
Stesura del progetto e ricerca dei materiali (maggio 2015) – alunni 4°
Revisione del progetto (giugno 2015) – alunni 4°
Prossime fasi: (ottobre – dicembre 2015):
assemblaggio bobine,
test di funzionamento,
misure e mappatura campo
Modalità di lavoro
Sessioni
Strumenti
In presenza
Laboratorio
Riunioni di gruppo
A distanza
Moodle: wiki e documentazione
Mailing list
Social network (Facebook e Wathsup)
Skype
Revisione e confronto
tra pari
con i supervisori e il coordinatore
Documentazione
Ricerche personali in rete
Documentazione fornita dal CNR-ISM e
libri di testo
Elaborazione
Wiki sulla piattaforma Moodle
Software di
calcolo (excell, libreoffice calc)
editing (word, powerpoint, libreoffice
writer)
progettazione (Sketch up)
Non sono stati utilizzati software di
simulazione numerica
Vincoli progettuali
Distanza uguale al raggio
Bobine circolari
Spessore delle bobine L << R
→ L ≤ R/5
Disposizione regolare e
simmetrica degli avvolgimenti
Tensione continua (semplicità
progettuale)
Struttura di supporto in
materiali diamagnetici
Stima dell’intensità di B
Campo magnetico terrestre (dati INGV)
2*10-4 T < BT < 7*10-4 T
Richiesta
Bx > BT
Obiettivo
Bx= 1*10-2 T
Dati
N: numero di avvolgimenti su una bobina
R: raggio delle bobine e loro distanza
I: intensità di corrente
μ0: permeabilità magnetica del vuoto
4
Bx
5
3
2
0 NI
r
Dimensionamento dell’apparato
Dimensioni del becker in uso
Rbase = 5 cm
h = 10 cm
Raggio delle bobine (e loro distanza)
non troppo grande : inversamente proporzionale a B
non troppo piccolo: dimensioni becker
Intensità di corrente
Alimentatore disponibile: 0 < I < 10 A
Scelte progettuali
raggio delle bobine r = 10 cm
intensità di corrente I = 5,9 A
Conseguenza
B 0,01T
I 5,9 A N 189
r 0,1m
Scelta dei materiali
Le bobine
Il supporto
proposta iniziale: cemento ultraleggero – scartata dopo prova pratica
scelta finale: legno – facile reperibilità, lavorazione, economicità
legno – struttura formata da carrucole con degli stop per posizionare le bobine e
tavole per appoggiare tutta la struttura e proteggerla
Il filo
rame smaltato: facile reperibilità, scelta tra molte tipologie in commercio
Vernice essiccante ad aria per fissare gli avvolgimenti
Morsetti/jack/mammuth per i collegamenti al generatore
Alimentatore e multimetro digitale del Laboratorio di Fisica (Peano)
Dimensionamento del filo
Diametro filo di rame d = 2 mm
Diametro esterno D = 2,074 mm
Lunghezza totale L = 235,54 m
Dati elaborati sulla base delle tabelle pubblicate
da una ditta che commercializza fili di rame smaltati
Disposizione degli
avvolgimenti
Numero di avvolgimenti
Diametro esterno del filo D = 2,074 mm
Numero di spire per strato noriz = 9
Numero di strati
nvert = 21
Numero di avvolgimenti
per bobina
N= noriz * nvert = 189
Dimensioni della “pista per l’avvolgimento”
Condizione
horiz – norizD < D
Larghezza
horiz = 1,90 cm
Altezza
hvert = nvert *D = 4,36 cm
Spessori della struttura di supporto
Spessore “pista”
S = 1 cm
Spessore “bordi”
S’ = 0,2 cm
Dimensioni delle
bobine
Sezione ortogonale delle
bobine (vista frontale)
Schema elettrico
Collegamento in serie delle
bobine con il generatore
di tensione e l’amperometro
Resistenza elettrica R = 1,28 W
Tensione nominale di lavoro V = 7,56 V
Intensità di corrente I = 5,9 A
Massa M = 6,579 kg
Tasso di riscaldamento DT/Dt = 0,0176 K/s
DT = 5,28 K in 5 min
Gli elementi della struttura
Dall’idea
…
al progetto
Ciò che resta da fare
Montaggio presso i laboratori del CNR-ISM
Misure e mappatura del campo magnetico
generato
Prove di crescita di “alberelli magnetici” in
campo magnetico
Analisi dei risultati
Cosa abbiamo fatto?
Esperimento di creazione di una
comunità di “ricerca e didattica” (scienziati
e insegnanti: due approcci diversi)
Sperimentazione didattica del
cooperative and learning by doing
Introdotto tematiche di progettazione
e modellistica nei licei
Tentativo di avvicinare i giovani alla
scienza rendendoli parte attiva in un processo
che simula le attività di un gruppo di ricerca
Ringraziamenti
A tutte le persone che hanno partecipato al progetto
Nanoscienze e nanomateriali magnetici
Alla prof.ssa Roberta Moncado, D.S del Liceo
Peano, per aver sempre sostenuto le nostre iniziative
A tutti voi per la cortese attenzione!
