fenomeni magnetici ed elettromagnetici

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