Elettricità e magnetismo Lab4 SCIENZE • La Materia
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Lab4 SCIENZE • La Materia Elettricità e magnetismo Ogni volta che avvii un’automobile, o suoni il campanello di un citofono, o senti squillare un telefono… hai a che fare con delle elettrocalamite. Di che cosa si tratta? La parola elettrocalamita richiama alla mente le parole elettricità e magnetismo: c’è un legame tra questi fenomeni? E se sì, quale? Le elettrocalamite hanno le stesse proprietà delle calamite normali? È possibile costruire da sé un’elettrocalamita? Come possiamo mettere in luce il legame tra campo elettrico e campo magnetico? Magnetismo ed elettricità non sono fenomeni distinti: la corrente elettrica può infatti magnetizzare corpi ferrosi, mentre i magneti in movimento possono generare corrente elettrica. Elettricità e magnetismo sono infatti due manifestazioni di un unico fenomeno: l’elettromagnetismo. Fare esperimenti LINK diagrammi di flusso 1 • Il chiodo magnetico Proviamo innanzitutto a costruire un’elettrocalamita. Procurati un grosso chiodo, un rotolo di filo elettrico di rame, una batteria da 4,5 volt, alcune graffette, oppure spilli o puntine da disegno, e uno spelafili (se non lo possiedi, puoi utilizzare delle forbici normali). Per prima cosa avvicina il chiodo alle graffette e verifica se queste ne vengono attirate: scrivi ciò che rilevi sul tuo quaderno. Poi taglia un pezzo di filo elettrico lungo circa 40 cm e avvolgilo intorno al chiodo facendogli compiere tre o quattro giri: fai in modo che le spire non si tocchino l’una con l’altra. Collega alle linguette della pila le due estremità del filo conduttore, opportunamente “spelate”. Che cosa ti aspetti che accada avvicinando la punta del chiodo alle graffette? Annota le tue ipotesi. .............................................................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................................................. Ora avvicina la punta del chiodo alle graffette e descrivi ciò che avviene effettivamente. .............................................................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................................................. Probabilmente avevi pensato che la punta del chiodo avrebbe attirato le graffette come una calamita. Come mai ciò non è accaduto? Il chiodo non si è magnetizzato o, più semplicemente, il campo magnetico generato è troppo debole? Il seguito dell’esperimento risponderà proprio a queste domande. Prendi un filo molto più lungo e avvolgilo intorno al chiodo, ma questa volta fai in modo che le spire siano vicine tra di loro in modo che il numero di avvolgimenti diventi significativamente maggiore rispetto a prima. Ora avvicina nuovamente la punta del chiodo alle graffette; che cosa noti questa volta (1)? .............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................. 1 .............................................................................................................................................................. © 2011 Giunti Scuola S.r.l. - Firenze 1 Lab4 Elettricità e magnetismo Quale motivazione puoi dare a quanto hai osservato? .............................................................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................................................................................................. Apri ora il circuito, scollegando uno dei due capi del filo conduttore dalla pila. Osserva che cosa accade: il chiodo appare ancora magnetizzato o no? ............................................................................ Rifletti su quanto hai rilevato e formula delle ipotesi. Sicuramente avrai notato almeno due fatti: la capacità attrattiva del chiodo dipende dal numero degli avvolgimenti del filo; scollegando almeno uno dei capi del filo elettrico dalla pila, il chiodo perde la sua proprietà magnetica. Le mie conclusioni • Scrivi le tue conclusioni e poi confrontale con La spiegazione che ti proponiamo. Per quale motivo, se il numero di avvolgimenti è ridotto, il chiodo non attrae le puntine? .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... Per quale motivo, se aumenti notevolmente il numero di avvolgimenti, il chiodo manifesta la proprietà attrattiva? .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... Che cosa accade scollegando un’estremità del filo dalla pila? Motiva la tua risposta. .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... Il magnetismo indotto dall’elettrocalamita sul chiodo è dunque permanente o temporaneo? ............................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................ La spiegazione Il passaggio di corrente elettrica in un filo determina la formazione di un campo magnetico intorno al filo stesso. Per attirare le puntine occorre però un campo magnetico di una certa intensità: aumentando il numero di avvolgimenti intorno al chiodo, aumentiamo effettivamente l’intensità del campo magnetico. Un chiodo di ferro inserito in un solenoide, cioè un filo avvolto strettamente a spirale, costituisce quello che si dice elettromagnete o elettrocalamita. L’esperimento che hai condotto testimonia inoltre che il ferro diventa un magnete attivo solo quando il solenoide è percorso dalla corrente. Questa proprietà viene sfruttata in molti strumenti elettrici, come campanelli, altoparlanti, motori e nelle gru per sollevare materiali ferrosi. Gli elettromagneti sono magneti temporanei, cioè possono essere attivati o disattivati in qualunque momento alimentando o interrompendo il flusso di corrente: nel tuo caso hai interrotto le proprietà magnetiche scollegando un’estremità del filo dalla pila; in altre situazioni lo stesso effetto si ottiene semplicemente comandando un interruttore che faccia passare o meno la corrente. 2 © 2011 Giunti Scuola S.r.l. - Firenze Scienze • La Materia 2 • Nord e Sud Come sai, in una calamita si riconoscono due poli che, come i poli della Terra, prendono il nome di polo nord e polo sud. Proviamo ora a ricercare la polarità dell’elettromagnete che hai realizzato. Questa volta ti servono un tappo di sughero, un ago da cucito, una calamita rettangolare con i poli evidenziati, del nastro adesivo, una bacinella, dell’acqua e un pennarello rosso indelebile. Con una delle due estremità della calamita strofina molte volte l’ago per tutta la sua lunghezza e sempre nello stesso verso. Poi avvicina la punta dell’ago ai due poli della calamita rettangolare. Che cosa puoi osservare? Partendo dai poli evidenziati sulla calamita rettangolare e ricordando che, come hai studiato sul tuo libro di testo, due poli diversi si attirano mentre due poli uguali si respingono sei in grado di stabilire quale delle due estremità dell’ago costituisce il polo nord? Se sì, coloralo di rosso. Fissa ora l’ago magnetizzato al tappo di sughero con del nastro adesivo, poi riempi la bacinella d’acqua e appoggia sulla sua superficie il tappo con l’ago. A questo punto prendi l’elettromagnete che hai costruito nel corso del precedente esperimento e avvicina la sua punta alle due estremità dell’ago. Che cosa osservi? La punta del chiodo attrae una delle due estremità dell’ago. Scrivi sul quaderno se si tratta di quella rossa. Ora apri il circuito dell’elettrocalamita staccando le estremità del filo conduttore dalla pila. Poi richiudilo invertendo la posizione delle due estremità. Che cosa ti aspetti? Il chiodo attirerà ancora la stessa estremità dell’ago? Riporta sul quaderno ciò che accade e confrontalo con la precedente osservazione. Le mie conclusioni • Scrivi le tue conclusioni e poi confrontale con La spiegazione che ti proponiamo. Che cosa accade strofinando sull’ago la calamita rettangolare? .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... In base a quale proprietà dei magneti si può stabilire quale estremità dell’ago indica il polo nord? .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... Che cosa accade invertendo la posizione delle due estremità del filo elettrico? Motiva la tua risposta. .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................................................................................... La spiegazione Dopo gli esperimenti effettuati puoi concludere che: le calamite possono essere naturali o artificiali; le calamite artificiali acquistano le proprietà magnetiche grazie ad un processo di magnetizzazione legato alla conduzione elettrica; un corpo ferroso può essere magnetizzato sfregandolo più volte nello stesso verso su una calamita, oppure mettendolo a contatto con questa. © 2011 Giunti Scuola S.r.l. - Firenze 3 Lab4 Elettricità e magnetismo Puoi immaginare il corpo di una calamita come costituito da infinite piccolissime calamite elementari, dette magnetini, legate l’una all’altra secondo le connessioni nord-sud-nord: nel momento in cui si magnetizza un corpo ferroso, i suoi magnetini elementari si posizionano in modo ordinato, originando il polo nord e il polo sud. Se l’estremità colorata di rosso del nostro ago, cioè il suo polo nord, è attratta dalla punta del chiodo, quest’ultima costituisce il polo sud del chiodo; viceversa, se ne è respinta, costituisce il polo nord. Scambiando tra loro i collegamenti delle estremità del conduttore, avrai notato infatti che la punta rossa dell’ago magnetizzato viene respinta: invertendo la posizione dei fili il flusso delle cariche elettriche cambia di verso e perciò cambia anche la polarità del chiodo. Quindi, in sintesi: l’elettrocalamita (o elettromagnete) ha sempre due poli, che tuttavia possono essere facilmente invertiti semplicemente cambiando il verso della corrente elettrica. Ora so che... • Ora puoi rispondere alle domande iniziali. Che cosa s’intende per elettrocalamita o elettromagnete? E per solenoide? ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ Le elettrocalamite hanno le stesse proprietà delle calamite normali? Motiva la tua risposta. ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ Come potresti spiegare il legame tra campo elettrico e campo magnetico a qualcuno che non lo sa? ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................................................................................................ LINK bussola ompetenze Verifica delle competenze Verifica delle competenz Un nuovo campanello 1 Ora puoi progettare un campanello a batteria che potrai concretamente realizzare. Per progettarlo devi: a) illustrare il principio di funzionamento; b) scegliere i materiali occorrenti e indicare dove è possibile reperirli; c) costruire uno schema che riporti per punti successivi le fasi di costruzione. LINK Per saperne di più... 4 © 2011 Giunti Scuola S.r.l. - Firenze
