Elettromagnetismo

Il magnetismo
Esistono magneti naturali?
…...............................................…...............................................…...............................................
…..................
Esistono dei materiali che possono essere magnetizzati, diventando magneti artificiali?
…...............................................…...............................................…...............................................
…..................
Che caratteristica hanno i materiali magneticamente “ morbidi” e quelli magneticamente “duri”?
.............................…...............................................…..............................................
….........................................
Dopo aver provato a rispondere a queste domande, cerchiamo di trasformare una bacchetta di ferro
formata da 2 viti, legate assieme da un bullone, in un magnete artificiale, prendendo spunto dalla
figura seguente.
…...............................................…...............................................…...............................................
…...............................................…...............................................…..............................................
…...............................................…...............................................…...............................................
…...............................................…...............................................…..............................................
…...............................................…...............................................…...............................................
…...............................................…...............................................…..............................................
…...............................................…...............................................…...............................................
…...............................................…...............................................…..............................................
…...............................................…...............................................…...............................................
Prendi ora solo poca limatura di ferro e disponila sulla bacchetta . Dove si accumula maggiormente la
limatura?
La forza magnetica ha la stessa intensità in tutti i suoi punti?
Noterai che la forza massima si ha agli …................ del magnete. Questi si chiamano ...........
Svita una delle 2 viti e cospargi la limatura di ferro. Cosa noti?
...............................................…...............................................…...............................................
…...............................................…...............................................…..............................................
Questo ti fa capire che se dividi a metà un magnete esso si presenta sempre con 2 poli e che quindi non è
possibile isolare uno dei 2 poli.
In altre parole ancora, non esiste una sorta di "carica magnetica".
Noterai che i poli di un magnete sono contrassegnati da colori diversi.
Il colore più scuro è il …...... ........ del magnete, mentre quello più chiaro è detto .......... ....... del
magnete.
Il polo Nord di un magnete è detto così perchè punta al polo nord terrestre.
Prendi ora la semisfera che rapprsesenta il il semiglobo terrestre e inserisci il magnete all'interno di essa.
Prendi ora un aghetto magnetico e disponilo parallelamente alla superficie terrestre. Ruota la semisfera in
modo tale che l'aghetto punti al nord terrestre.
Esso coincide con il nord magnetico?
Poli di uguale nome si …....................., poli di nome contrario si …............................
Linee di forza del campo magnetico
Avvicina il polo nord al centro della lastra. Fai un disegno delle linee di forza del campo magnetico.
Avvicina il polo sud al centro della lastra . Fai un disegno delle linee di forza del campo magnetico.
Avvicina l'intero magnete alla lastra. Fai un disegno delle linee di forza del campo magnetico.
Elettromagnetismo
Esperienza di Oersted 1820
http://catalogo.museogalileo.it/multimedia/EsperienzaOersted.html
Riproduciamo ora l'esperienza di Oersted.
Prendiamo il dispositivo in figura e inseriamo gli aghetti magnetici in corrispondenza delle punte metalliche.
Gli aghetti liberi di ruotare puntano verso …................................
Ruotiamo il dispositivo in modo tale che i 2 aghetti siano paralleli ai 2 fili, come in figura.
Colleghiamo i 2
poli al generatore o a una serie di pile.
Aumentando sempre di più la corrente gli aghetti si avvicinano alla perpendicolare, come si vede in figura.
Spiega quale è il ruolo esercitato dal campo magnetico terrestre nella disposizione degli aghetti.
Elaboriamo ora una teoria per spiegare tale esperienza.
Consideriamo un conduttore rettilineo molto lungopercorso da una corrente elettrica costante (cioè che
non varia nel tempo). La corrente genera nello spazio attorno al conduttore un campo magnetico le cui
linee di forza sono circonferenze concentriche perpendicolari al conduttore che a sua volta si trova nel
centro delle medesime.
Graficamente :
(sono state visualizzate solo due linee di forza)
(il verso della corrente è quello convenzionale, dal polo positivo del generatore (qui non visualizzato) al polo
negativo)
Il verso delle linee di forza, ovvero del campo magnetico, è dato dalla regola della vite destrorsa :
il verso del campo magnetico è quello che si ottiene immaginando di fare avanzare una vite destrorsa
secondo la direzione della corrente.
Graficamente :
(abbiamo disegnato il piano "ideale" su cui giacciono le linee di forza per meglio evidenziare la prospettiva)
Se poniamo un ago magnetizzato nei vari punti di una linea di forza (circolare) attorno al conduttore,
otterremo che esso si disporrà lungo le linee di forza nel seguente modo :
(l'ago è indicato da una freccia (la freccia è il nord dell'ago)) La direzione dell'ago sarà tangente alla linea
di forza. Guardando (nella direzione del conduttore) dall'alto :
(la corrente è diretta verso chi osserva il grafico)
Naturalmente, le linee di forza sono infinite e sono tutte circonferenze coassiali al conduttore.
Tracciamone alcune altre :
(anche qui i piani servono a meglio rappresentare la prospettiva)
Utilizzando la limatura di ferro si ottiene la seguente immagine :
(la linea trasversale è l'ombra del conduttore sul piano su cui è appoggiata la limatura di ferro)
dove si vede bene che la limatura di ferro si dispone lungo le linee di forza circolari coassiali al
conduttore.
Un campo magnetico viene evidentemente generato anche da conduttori non rettilinei. Naturalmente si
tratterrà di casi più complicate del semplice conduttore rettilineo.
Vediamo di seguito il caso molto importante del campo magnetico generato da un conduttore a forma di
circonferenza (spira singola) o da un conduttore avvolto in più spire circolari (solenoide).
04 - La spira singola ed il solenoide.
Consideriamo un circuito circolare (spira singola) percorso da corrente continua come indicato nel
grafico :
dove, per rendere chiara la prospettiva, consideriamo la spira "appoggiata" idealmente su un
parallelepipedo.
Possiamo immaginare la spira costituita di moltissimi segmenti rettilinei di conduttore ciascuno di
lunghezza molto piccola e possiamo pensare che ciascun segmento di conduttore generi un campo
magnetico come nel caso di un conduttore rettilineo.
Graficamente, considerando solo la linea di forza del campo magnetico generato dal segmento di spira L e
passante per il centro della spira C :
(il generatore di tensione non è stato indicato)
Si noti il verso del campo magnetico ottenuto con la regola della vite destrorsa.
Ogni segmento di spira genera un campo magnetico per cui le linee di forza complessive saranno :
(per semplicità grafica abbiamo tracciato solo alcune linee di forza passanti per la zona centrale della spira
omettendo anche di chiuderle)
Un conduttore può essere avvolto in modo da formare più spire concentriche (si può pensare di avvolgere
il conduttore attorno ad un cilindro "ideale"). Un siffatto conduttore viene chiamato solenoide o bobina.
Graficamente :
(il tratteggio serve ad evidenziare la prospettiva)
Il solenoide genererà un campo magnetico le cui linee di forza sono indicate, in osservanza alla regola
della vita destrorsa, nel grafico :
(per semplicità grafica abbiamo tracciato solo alcune linee di forza passanti per la zona centrale del
solenoide omettendo anche di chiuderle)
In realtà, le linee di forza nelle vicinanze delle spire e fra le medesime assumono conformazioni
complicate in quanto il campo magnetico prodotto dal solenoide è la composizione dei singoli campi
prodotti dai singoli piccoli segmenti di conduttore.
E' solo al centro del solenoide che le linee di forza sono pressoché lineari e parallele. Si dice allora che il
campo magnetico nel centro del solenoide è uniforme.
05 - Esempi di applicazioni pratiche del campo magnetico.
Seguono ora alcune semplici applicazioni del campo magnetico dalla grande importanza storica che
coinvolgono la vita di tutti noi. Oggi, dato l'enorme progresso tecnologico a cui stiamo assistendo, alcuni
dei dispositivi che stiamo per mostrare sono totalmente obsoleti o profondamente evoluti nella direzione
dell'elettronica. Nonostante ciò essi, così come li presenteremo, conservano un interesse ed un valore
didattico innegabile
- 1 - Elettromagnete.
Se inseriamo in un solenoide un nucleo di ferro dolce e facciamo passare la corrente elettrica (nelle spire
del solenoide), otteniamo un campo magnetico molto più forte di quello che si ottiene con lo stesso
solenoide percorso dalla stessa corrente ma senza il nucleo di ferro dolce (semplicemente avvolto in aria).
Il motivo fisico di questo fatto sarà spiegato in seguito.
Il dispositivo formato da un solenoide avvolto su un nucleo di ferro dolce si chiama elettromagnete o
elettrocalamita.
Si tratta quindi di un magnete non permanente, un magnete cioè che è tale a nostra volontà, quando
facciamo cioè passare la corrente nel solenoide. Normalmente, senza circolazione di corrente il
dispositivo non presenta alcun campo magnetico.
La possibilità che il nucleo dell'elettromagnete si magnetizzi-smagnetizzi a nostro piacere dipende dal
fatto che il ferro dolce ha la proprietà di smagnetizzarsi velocemente (dopo essere stato magnetizzato dal
campo magnetico generato dalla corrente elettrica) appena la corrente cessa.
Altri materiali metallici hanno questa proprietà. Altri materiali metallici, invece, una volta magnetizzati
dalla corrente diventano magneti permanenti e non si smagnetizzano (se non molto lentamente) al
cessare della corrente che li ha magnetizzati.
E' chiaro, da quanto affermato, che la possibilità di creare campi magnetici a nostra volontà costituisce un
fatto di enorme importanza tecnologica. Possiamo, a nostro piacimento ed in modo molto semplice ed
economico, esercitare forze magnetiche con le quali ottenere scopi a nostro vantaggio.
L'elettromagnete è quindi alla base di innumerevoli applicazioni tecnologiche.
Grandi e potenti elettromagneti sono utilizzati nelle gru ad elettromagnete per spostare oggetti metallici
ferrosi o simili (che risentano della forza magnetica). L'industria pesante si basa sull'utilizzo di tali
dispositivi.
Piccoli o medi elettromagneti sono utilizzati in moltissimi altri apparati tecnologici anche ad uso
domestico.
- 2 - Campanello.
Osserviamo il seguente schema :
La lettera A indica un punto fisso (realizzato in pratica da un perno). La lettera B indica un contatto
mobile (realizzato da una punta metallica). La lettera C indica un percussore (realizzato da una sferetta
metallica). L'arco AC indica un conduttore mobile di ferro dolce (realizzato da un conduttore elastico di
ferro dolce). La lettera D indica un dispositivo acustico (realizzato da un apposito corpo metallico cavo).
La lettera E indica un elettromagnete.
Normalmente, in assenza di corrente, il conduttore mobile AC è appoggiato al contatto B .
Quando si pigia il tasto T , il circuito viene chiuso e passa corrente nell'elettromagnete il quale si
magnetizza ed attira a sé il conduttore mobile . Il percussore C urta il dispositivo acustico ma il
contatto B si stacca.
Staccandosi il conduttore mobile AC dal contatto B, il circuito si apre e non passa più corrente. Non
passando corrente, l'elettromagnete si smagnetizza e il conduttore mobile AC ed elastico torna nella
posizione di riposo ripristinando il contatto B e richiudendo il circuito.
Richiudendosi il circuito, ritorna a passare corrente, l'elettromagnete si magnetizza, il conduttore
mobile viene attirato verso l'elettromagnete, il percussore urta il dispositivo acustico ecc. ecc.
Finché si tiene premuto il tasto T , il processo appena descritto rimane attivo ed il campanello ... suona !!!
- 3 - Relè.
Il relè è uno dei dispositivi tecnologici più importanti in assoluto. Con esso è possibile modificare
(chiudere o aprire) un circuito elettrico a distanza (anche a grandi e grandissime distanze, se si
utilizzano onde radio).
Immaginiamo di dovere accendere una lampadina, o addirittura un potente motore elettrico industriale a
grande distanza. L'uso di un semplice relè ci evita di utilizzare lunghi, grossi e costosi fili conduttori per
portare la tensione necessaria ad accendere il dispositivo a grande distanza.
Con un circuito, chiamiamolo così, di controllo (o attivazione) a bassa tensione e quindi che utilizza
sottili fili di rame (economicamente vantaggiosi), o addirittura con l'utilizzo delle onde radio, è possibile
"pilotare" (aprirlo a chiuderlo) un distinto circuito, che chiameremo circuito di utilizzazione, anche di
grande potenza e quindi in grado di attivare potenti e costosi dispositivi elettrici.
Lo schema elettrico di principio del relè (nell'esempio di accendere una lampadina a distanza) è il
seguente :
Con questo circuito si vuole accendere una lampadina a distanza.
La lampadina L si trova nel circuito di utilizzazione (a sinistra), circuito che utilizza la normale tensione
di rete. Il relè viene pilotato con un circuito a bassa tensione tramite la pressione del tasto T . Il
tratteggio dei conduttori D indicano che essi possono essere anche molto lunghi (è possibile anche
ottenere un collegamento via onde radio).
Il conduttore mobile elastico AB costituito da una barretta di ferro dolce, si trova nella posizione
normale di riposo (in assenza di campo magnetico) in modo che il circuito di utilizzazione sia aperto
(non passi corrente).
Quando si preme il tasto T , nel circuito di controllo circola corrente e l'elettromagnete C attira a sé il
conduttore mobile AB il quale chiude il circuito di utilizzazione e la lampadina L si accende.
Quando si rilascia il tasto T il conduttore mobile AB ritorna nella posizione di riposo aprendo il circuito
di utilizzazione. La lampadina L allora si spegne.
Esistono altri tipi di relè, anche multipli, ovvero con più contatti e/o con stato di riposo del circuito di
utilizzazione chiuso.
- 4 -Telegrafo.
Fu un'invenzione di portata epocale. Per la prima volta nella storia l'uomo poteva comunicare a parole in
tempo reale ed a grande distanza.
Il telegrafo fu la prima di una serie di invenzioni (ancora oggi in piena fase di sviluppo con internet,
telefoni cellulari ecc.) che migliorano e potenziano la comunicazione umana in senso moderno, quindi
scientifico-tecnologico.
La prima trasmissione ufficiale si ha il 24 maggio 1844 fra Washington e Baltimora (in Italia,
l'introduzione del telegrafo avviene nel 1852 nel Regno delle Due Sicilie).
Il telegrafo utilizza l'alfabeto Morse che traduce ogni lettera e simbolo in punti e linee.
Lo schema di massima del telegrafo è il seguente :
Spingendo il tasto T per un tempo breve il pennino C , azionato dall'elettromagnete A , scrive un tratto
breve (un punto) sul nastro di carta D in movimento.
Spingendo il tasto T per un tempo lungo il pennino C , azionato dall'elettromagnete , scrive un tratto
lungo (una linea) sul nastro di carta D in movimento.
Il collegamento fra trasmettitore e ricevitore fu successivamente effettuato con le onde radio (telegrafo
senza fili).
I sistemi di comunicazione telegrafici ed il relativo alfabeto Morse sono poi divenuti obsoleti a causa della
supremazia delle trasmissioni radio in voce (in fonia).
- 5 - Telefono.
Con il telefono è possibile trasportare lungo i fili (o via radio) addirittura la voce umana che non è,
evidentemente, assimilabile ad una semplice sequenza monotona di segnali lunghi e brevi (con i sistemi
digitali, in verità, si è ritornati al concetto di trasformare un segnale complicato in sequenze di segnali
semplici).
Il passo in avanti fatto dall'umanità con l'invenzione del telefono fu strabiliante. Il brevetto del telefono
fu attribuito a Bell nel 1876.
Il problema tecnologico principale nel telefono è la trasformazione della voce, che è una vibrazione
acustica (le molecole dell'aria vengono fatte vibrare dalla vibrazione delle corde vocali), in una corrente
elettrica variabile che ne riproduca appunto la vibrazione.
Successivamente, tale corrente elettrica variabile deve potere riprodurre il suono che l'ha generata e
quindi permettere l'ascolto.
Il dispositivo che trasforma la voce (vibrazione acustica) in una corrente elettrica variabile si chiama
microfono.
Il dispositivo che trasforma una corrente elettrica variabile in una vibrazione acustica (e quindi in suono
ascoltabile) si chiama altoparlante.
Presentiamo qui un tipo di microfono costituito da un contenitore pieno di granuli di carbone in cui sono
immersi due elettrodi (per esempio fili di rame).
La corrente elettrica, come vedremo, a parità di tensione dipende dalla resistenza del conduttore
secondo la formula :
i=V/R
Tenendo presente questo fatto, consideriamo il seguente schema :
Parlando davanti al microfono A , le onde acustiche che costituiscono la voce fanno vibrare i granuli di
carbone coerentemente con la vibrazione delle medesime.
La resistenza elettrica dei granuli di carbone cambia allora di conseguenza seguendo la vibrazione della
voce. Nel circuito si determinerà una corrente elettrica i variabile nel tempo t coerentemente con la
vibrazione della voce.
Per esempio, la corrente potrebbe essere rappresentata da un grafico del tipo :
L'altoparlante è qui costituito da un elettromagnete B e da una lamina di ferro dolce C ad esso vicino.
Nell'elettromagnete, quando si parla davanti al microfono, passerà allora una corrente variabile che
genererà un campo magnetico variabile. Il campo magnetico variabile farà vibrare la membrana C
riproducendo la voce di colui che parla davanti al microfono.
Questo è il funzionamento di principio del telefono.
Oggi, la tecnologia ci fornisce numerose varietà di microfoni ed altoparlanti sempre più sensibili, precisi,
piccoli ed economici.
06 - La corrente elettrica in un campo magnetico.
In precedenza abbiamo visto che una corrente elettrica (che percorre un conduttore) genera un
campo magnetico.
Cosa succede, invece, se facciamo scorrere una corrente elettrica in un conduttore "immerso" in
un campo magnetico ? Quello che si verifica sperimentalmente, come rilevò per primo Faraday
del 1821, è che il conduttore, percorso dalla corrente, risente di una forza che tenderà a
spostarlo. Da questa constatazione all'invenzione del motore elettrico il passo è breve ... Ma
andiamo per ordine.
Consideriamo un circuito di rame un cui tratto, che indichiamo con AB , è immerso nel campo
magnetico generato da un magnete. Supponiamo che tale tratto di conduttore sia libero di
oscillare grazie a opportuni contatti mobili. Il tratto AB , libero di oscillare, costituisce una sorta
di "pendolo" posizionato fra i poli del magnete.
Graficamente :
Il generatore di tensione V è in grado di produrre, quando il circuito viene chiuso tramite il
tasto
, una corrente continua. Per il momento non ci interessa conoscere il verso della
corrente, per cui non abbiamo indicato i poli del generatore. Ci basta solo sapere che la corrente
che scorrerà nel circuito è continua.
Consideriamo, anche se non l'abbiamo indicato espressamente, che il circuito abbia una certa
resistenza.
Quanto il tasto T è aperto, nel circuito (aperto) non circola corrente e sul tratto mobile AB non
viene esercitata nessuna forza. Il tratto di circuito AB rimane immobile nella sua posizione di
equilibrio (si tenga presente che il rame, quando non vi è alcuna corrente elettrica, non è
"perturbato" dal magnete in quanto il rame è un materiale che non subisce attrazione o
repulsione magnetica).
Quando il tasto Tviene premuto, il circuito si chiude ed in esso passa la corrente I .
A questo punto si osserva che il tratto AB viene spostato in dentro o in fuori (rispetto ai poli del
magnete) a seconda del verso di percorrenza della corrente elettrica che viene a scorrere in esso.
Graficamente :
Questo spostarsi del tratto di conduttore AB dalla posizione di equilibrio è dovuto all'instaurarsi
di una forza
che viene ad agire sul tratto di conduttore in questione.
Se invertiamo la direzione della corrente (o invertiamo i poli del magnete senza invertire la
corrente), la forza si inverte :
La forza
è un vettore che ha direzione simultaneamente perpendicolare al tratto AB ed alle
linee di forza del campo magnetico :
Il verso della forza
dipende, come vedremo meglio in seguito, dal verso della corrente in
relazione alla polarità del magnete secondo la seguente convenzione, detta anche regola della
mano destra.
07 - Il motore elettrico a corrente continua.
Un conduttore percorso da corrente ed immerso in un campo magnetico sente una forza dalle
caratteristiche già descritte nei precedenti paragrafi.
Visto che in questi fenomeni si genera una forza, perché non usarla per compiere lavoro ?
Questa idea è alla base dei motori elettrici di cui la nostra civiltà tecnologica non può fare a
meno. I motori elettrici sono utilizzati ovunque, negli elettrodomestici delle nostre case così
come in ogni altro settore tecnologico.
La scoperta della possibilità di trasformare energia elettrica e magnetica (energia
elettromagnetica) in energia meccanica costituisce una delle fondamentali conquiste
dell'umanità.
Vediamo qui come questo è possibile considerando il caso semplice di un conduttore percorso da
corrente continua immerso nel campo magnetico uniforme generato da un magnete
permanente.
Altri tipi di motori elettrici, anche tecnologicamente molto sofisticati, si rifanno a questo
semplice caso migliorandone le prestazioni.
Consideriamo il seguente dispositivo :
La spira conduttrice (per esempio di rame) di forma quadrata è libera di muoversi ruotando
attorno ad un perno isolante. La spira è in qualche modo (per semplicità non illustrato nel grafico)
vincolata al perno e vi può solo ruotare attorno. Il perno è costituito da un sottile asse cilindrico
rigido ed immobile (opportunamente fissato) formato da materiale isolante (per esempio di
plastica).
Due lamine conduttrici (in colore) a forma arrotondata, dette spazzole, sono collegate
stabilmente ad un generatore di tensione continua.
I capi della spira, contrassegnanti con A , B , sono inizialmente in contatto con le spazzole in
modo che A sia collegato al polo positivo ( + ) del generatore e B al polo negativo ( - ) del
generatore.
Nella spira scorrerà la corrente continua i con i versi indicati dalle frecce (dal + del generatore
al - ) cioè da A verso B .
Le porzioni di spira perpendicolari alle linee di forza del campo magnetico risentiranno di una
certa forza che ha direzione e verso espressi secondo la regola della mano destra. Sulle porzioni
di spira parallele alle linee di forza, come ben sappiamo, non agisce alcuna forza
La spira risentirà allora di una coppia di forze e comincerà a ruotare.
Raggiunta la posizione verticale :
i capi della spira A e B non sono più in contatto con le spazzole per cui nella spira cessa di
scorrere corrente. In questa posizione cessano anche le forze che causano la rotazione e la spira
dovrebbe fermarsi. In realtà, a causa dell'inerzia accumulata, la spira continua a ruotare per
quanto basta perché si ripristinino i contatti :
Ora, la corrente circola nella spira da B verso A e si ripristina la coppia di forze che continua a
fare ruotare nello stesso verso la spira.
Il ciclo si riproduce indefinitamente nella stessa sequenza e la spira continua a ruotare.
Abbiamo così costruito un motore elettrico a corrente continua, motore che produce energia
meccanica.
Si noti che la corrente che percorre la spira viene invertita ciclicamente (nel suo verso, rispetto ai
punti A e B) tramite il sistema delle spazzole. Se la corrente non venisse invertita, la spira
sarebbe percorsa dalla corrente sempre nella direzione da A a B . La spira, una volta raggiunta
la posizione verticale (secondo grafico), non potrebbe proseguire nella rotazione perché si
produrrebbe la seguente situazione di equilibrio (raggiunto dopo una serie di oscillazioni attorno
alla posizione di equilibrio) :
In questa situazione, le forze, con stessa direzione e verso opposto, potrebbero solo deformare la
spira senza farla ruotare (si osservi che anche negli altri due tratti della spira si produce una
situazione analoga).
ESERCIZI
1) Indica la rappresentazione corretta,
sapendo che X rappresenta un vettore
perpendicolare al foglio e entrante e ●
rappresenta un vettore perpendicolare al
foglio e uscente.
2)Per effetto di un campo magnetico uniforme, un filo rettilineo percorso da
corrente subisce una forza F.
Le linee di campo magnetico :
a)sono perpendicolari al foglio e dirette in verso entrante
b)sono perpendicolari al foglio e dirette in verso uscente
c)giacciono nel piano del foglio e sono parallele a F
d)giacciono nel piano del foglio e sono parallele al filo.
Usa uno dei simboli sottostanti per indicare il campo magnetico nel disegno
→,←,↑,↓, X , ●
Strumenti di misura di corrrente
Telaio moltiplicatore di Schweigger
E’ uno strumento utilizzato per esaltare gli
effetti dell’esperienza di Oersted.
E’ costituito da un telaio di forma rettangolare
su cui è avvolto un filo conduttore. All’interno è
disposto, in bilico su una punta, un ago
magnetico. La deviazione di quest’ultimo
aumenterà considerevolmente a causa
dell’azione concorde dei tratti di circuito
paralleli all’asse dell’ago.
Galvanometro a sospensione astatica del nobili
Questo strumento che rientra nella categoria degli strumenti ad ago
mobile fu ideato dal fisico italiano Leopodo Nobili. Il sistema
astatico è costituito da due aghi rigidamente uniti e disposti in modo
da avere i poli di nome contrario rivolti dalla medesima parte. Con
ciò l’azione della coppia direttrice del campo magnetico terrestre
viene assai ridotta e questa circostanza permette di ottenere
deviazioni apprezzabili anche per correnti di intensità molto deboli,
assai più deboli di quelle che occorrono per far deviare un ago solo.
Posta i l’intensità della corrente ed a l’angolo di deviazione dell’ago,
supposto piccolo, si ha:
dove G è la costante del galvanometro considerato. Essa si determina
una volta tanto mandando nell’apparecchio una corrente di intensità
nota e misurando l’angolo a.
Negli apparecchi meno precisi a si legge su un cerchio graduato, in
quelli di maggiore precisione la lettura si effettua per mezzo dello
specchio (metodo Poggendorf). Un fascio di luce viene riflesso su uno schermo con un angolo
dipendente dalla corrente. Aumentando la distanza dello schermo si possono apprezzare variazioni
minime di segnale.
Amperometro a ferro dolce
Questo strumento fa parte della categoria degli amperometri
a magnete mobile detti anche a ferro dolce. Gli strumenti di
questo tipo sono sempre dei galvanometri ma di costruzione
più robusta e di uso più pratico anche se sono sensibilmente
meno precisi.
Esso è costituito da una bobina cilindrica fissa B percorsa
dalla corrente da misurare e da una piastra arcuata di ferro
dolce M girevole intorno all’asse geometrico della bobina.
All’interno di B si trova un’altra lastrina di ferro dolce P
anch’essa piegata ad arco.
Al passaggio della corrente nella bobina B la lastrina fissa e
quella mobile si magnetizzano entrambe nel medesimo senso
e si respingono: cioè l’indice, solidale con la piastrina mobile, ruota di un angolo che dipende
dall’intensità della corrente da misurare. Se la corrente si inverte allora anche il senso del campo in
entrambe le piastrine si inverte ed il senso della rotazione dell’equipaggio mobile non cambia.
Perciò strumenti di questo tipo possono servire egualmente bene sia per correnti continue che per
correnti alternate.
Amperometro a bobina mobile
L'uso più comune del galvanometro è come strumento di misura o
come rilevatore di corrente continua. Il dispositivo è costituito da una
bobina mobile che può parzialmente ruotare all'interno di un campo
magnetico, solidale con una lancetta indicatrice sovrapposta ad una
scala graduata. Una molla tiene la bobina in posizione zero. Quando
una corrente fluisce nelle spire, il solenoide genera un campo
magnetico, che opponendosi a quello esterno produce una forza che fa
ruotare la bobina e quindi l'ago indicatore. La molla contrasta la rotazione, con il risultato che
l'angolo di deviazione è proporzionale all'intensità della corrente.In alcuni strumenti la funzione
della molla è svolta da un pezzo di ferro su cui agisce il campo magnetico. Nel sistema è inoltre
presente un sistema di smorzamento delle oscillazioni meccaniche, in modo che l'indicatore si
stabilizzi rapidamente sulla posizione finale.
Amperometro e voltmetro termico
E’ uno strumento che utilizza il riscaldamento e la conseguente
dilatazione di un filo conduttore per effetto del passaggio della
corrente elettrica, per misurare la tensione o l’intensità di
corrente.
Al passaggio della corrente il filo AB, costituito da platino in
lega con l’argento, si dilata e la molla m provoca lo spostamento
dell’indice sulla scala.
Con questo dispositivo si possono realizzare sia voltmetri che
amperometri, inoltre gli strumenti termici possono servire sia
per la misura della corrente continua sia per la misura della
corrente alternata: in quest’ultimo caso essi danno rispettivamente l’intensità efficace o la forza
elettromotrice efficace.
Campioni di riferimento
Pila campione Weston
La pila campione detta pila Weston o pila al cadmio ha la forma
H ed è costituita da una soluzione satura di solfato di cadmio, da
cristalli di solfato di cadmio e solfato di mercurio purissimo. Gli
elettrodi sono di platino.
Alla temperatura di 20 °C la tensione di questa pila è
1,0183 V
e varia pochissimo con la temperatura.
Questa pila non si usa per fornire corrente, essa viene adoperata
solo a circuito aperto come campione di f.e.m. nelle misure
elettrometriche.
Attualmente la maggior parte degli istituti metrologici nazionali
utilizza banchi di pile campione e resistori per il mantenimento
dei campioni primari dell'ampere. Il campione di intensità di
corrente elettrica è ricavato dalla legge di Ohm mediante due campioni, uno di f.e.m. e uno di
resistenza. In Italia entrambi i campioni sono custoditi presso l'IENGF di Torino. Il campione di
f.e.m. è un gruppo di pile Weston sature, controllate mediante l'effetto Josephson; quello di
resistenza elettrica è definito come la resistenza media di un gruppo di 10 resistori campione in
manganina da 1 Ω. Allo scopo di evitare l'influenza delle resistenze di contatto tra resistore e
circuito di misura, i resistori campione presentano una particolare realizzazione a quattro morsetti,
due amperometrici esterni attraverso i quali il resistore è soggetto al passaggio della corrente
elettrica, e due voltmetrici interni rispetto a quelli amperometrici, dai quali si preleva la caduta di
tensione causata dalla circolazione della corrente elettrica.
Resistenza campione
Nei laboratori scientifici e tecnici si preferisce usare campioni metallici di
resistenza. Essi sono costituiti da fili metallici di lunghezza e sezioni
determinate racchiusi in cassette a temperatura costante.
Il metallo utilizzato è la manganina che è una lega composta da:
Cu = 84 %, Mn = 12 % Ni = 4 %
la cui resistenza varia pochissimo con la temperatura.
Circuito campione