I.Soletta, M.Branca
INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Alcune semplici misure sull’induzione elettromagnetica
Isabella Soletta, Mario Branca
Lo scopo di queste attività di laboratorio è
quello di contribuire alla comprensione
degli aspetti qualitativi dei fenomeni di
induzione elettromagnetica. Questi, data
la loro variabilità nel tempo, sono
abbastanza difficili da studiare con la
strumentazione comunemente a
disposizione nelle scuole, ma possono
essere seguiti facilmente con sistemi per
l’acquisizione dati on-line.
Per questa serie di misure sono state
utilizzate due sonde di tensione collegate
ad una calcolatrice grafica Ti89 attraverso
l'interfaccia CBL2.
sequenze, a seconda del progetto
didattico del docente:
- caduta di un magnete attraverso una
bobina
- caduta di una bobina in un campo
magnetico
- circuiti accoppiati in corrente continua:
apertura e chiusura del primario
- forza elettromotrice indotta dovuta alla
variazione del campo magnetico
- circuiti accoppiati in corrente alternata: il
trasformatore
- osservazioni sulla dinamo di una
bicicletta
Materiali
I materiali utilizzati sono facilmente
reperibili e poco costosi e permettono di
eseguire la maggior parte delle misure
anche in scuole prive di un laboratorio
attrezzato.
alcune bobine con differente
numero di spire (15, 300, 400, 600)
degli spinotti
- un interruttore a pulsante
- calamite
- un nucleo di ferro
- una pila a secco da 4,5 V
- un trasformatore a corrente alternata
- un morsetto
- una dinamo da bicicletta
- un treppiede
- un tubo di plastica
Caduta di un magnete attraverso una
bobina
Questa esperienza è già stata studiata
con la strumentazione on-line, anche dal
punto di vista quantitativo [1,2]. Ci
limitiamo quindi a descrivere l’apparato
sperimentale ed alcuni risultati in modo
qualitativo.
Con un morsetto si fissa la bobina ad un
tavolo. Per guidare la caduta della
calamita ed avere un facile riferimento
per ripetere la misura nelle stesse
condizioni è sufficiente inserire all’interno
della bobina un tubo realizzato
arrotolando un foglio di carta, come
mostrato nella foto di figura 1. Alle
estremità della bobina si collegano gli
spinotti ed a questi i terminali delle sonde
per la misura della differenza di
potenziale.
Esperienze
Vengono proposte sei esperienze, tutte di
facile e rapida esecuzione, che possono
essere svolte in classe secondo diverse
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Figura 4: la stessa calamita con il polo nord rivolto
verso il basso.
Figura 1: apparato sperimentale per lo studio della forza
elettromotrice indotta da una calamita che attraversa
una bobina
Con una bobina da 300 spire facendo
cadere la calamita da un'altezza di circa
20 cm, con 'intervallo di campionamento
di 0.005 s,e la durata della misura di 1 si
ottiene il grafico di figura 2.
Figura 2: differenza di potenziale ai capi di una bobina
attraversata da una calamita in caduta libera
Nelle figure 3 e 4 il cursore è posizionato
sul valore di picco della differenza di
potenziale
Osservazioni
La durata effettiva del fenomeno è di
circa 0.15 s; esso è quindi difficilmente
studiabile con un normale tester.
Nel primo esperimento il massimo della
differenza di potenziale è di 1.23 V,
mentre il minimo è –1.52 V. Nel secondo
esperimento, i valori risultano scambiati:
per il minimo si otten-gono –1.25 V, per il
massimo 1.51 V.
La asimmetria della curva è dovuta al
fatto che il magnete si muove di moto
uniformemente accelerato.
La misura, può essere ripetuta variando
la calamita o il numero delle spire. Si può
verificare che l’area sottesa dal picco
negativo uguaglia quella sottesa dal picco
positivo.
Caduta di una bobina in un campo
magnetico
Un'esperienza altrettanto semplice e
didatticamente utile è quella di una
bobina che si sposta in un campo
magnetico generato dalla calamita
utilizzata in precedenza.
Come mostrato in figura 5, la calamita è
stata incastrata a metà di un tubo di
plastica che viene mantenuto verticale da
un treppiede. Abbiamo collegato dei
cavetti da 50 cm ai terminali della bobina
ed a questi le sonde di tensione
Figura 3 : una calamita con il polo nord rivolto verso
l'alto viene fatta cadere attraverso la bobina.
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Anche qui si può osservare che la
differenza di potenziale di picco
diminuisce al diminuire del numero delle
spire della bobina.
Si possono variare sia l'altezza di caduta,
che la polarità della calamita, che il verso
di caduta della bobina.
Si potrebbe costruire un campo
magnetico più complesso alternando
all'interno di un tubo calamite lineari, per
esempio elementi di costruzioni
magnetiche con pezzi di materiale non
magnetizzabile (gessetti, pezzi di legno o
altro)
Figura 5: studio della forza elettromotrice indotta in una
bobina che attraversa il campo magnetico generato da
una calamita
La misura è stata ripetuta usando bobine
con diverso numero di spire. L'in-tervallo
di campionamento è di 0.005 s, la durata
della misura di 1s.
Nelle figure 6, 7 sono riportati degli zoom
dei dati sperimentali, nei quali il cursore è
posizionato sul valore di picco della
differenza di potenziale
Circuiti accoppiati in corrente
continua: apertura e chiusura del
primario
Sono stati utilizzati come circuito primario
una bobina da 300 spire, come
secondario una bobina da 600 spire; per
migliorare l’accoppiamento è stato
utilizzato un nucleo di ferro laminato,
come mostrato nella figura 9.
Figura 6: differenza di potenziale ai capi di una bobina
da 600 spire che attraversa un campo magnetico
Figura 9: due bobine accoppiate attraverso un nucleo di
ferro laminato.
Figura 7: differenza di potenziale ai capi di una bobina
da 300 spire che attraversa un campo magnetico
L'importanza didattica di questa misura
consiste nel fatto che non è importante
quale dei due elementi si muove, ma la
variazione della posizione reciproca.
Come generatore abbiamo utilizzato una
pila a secco da 4,5 V. Nel primario è stato
inserito un interruttore a pulsante,
premendo il quale si può chiudere il
circuito.
Per tutte le misure presentate il tempo di
campionamento è 0.005 s.
Misura 1: inizia quando nel circuito
primario è applicata una differenza di
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potenziale costante, che viene interrotta
rilasciando il tasto dell'interruttore
Figura 10: Differenza di potenziale in funzione del
tempo nel circuito primario; la differenza di potenziale
costante viene interrotta dopo circa mezzo secondo
Figura 11: - Differenza di potenziale in funzione del
tempo nel circuito secondario: dopo circa 0.5 s in
corrispondenza della chiusura del primario, nel
secondario si osserva una forza elettromotrice indotta di
tipo impulsivo che dura sinché nel primario vi è una
variazione.
Figura 12: In questo grafico i due segnali sono
sovrapposti; il segnale del primario è tratteggiato, quello
del secondario è in linea continua. Si vede più
chiaramente che in corrispondenza di una differenza di
potenziale costante nel primario non si registra nel
secondario alcun segnale.
Misura 2: inizia con una tensione nulla nel
circuito primario; la tensione viene poi
applicata chiudendo l'interruttore.
Figura 13: Differenza di potenziale in funzione del
tempo nel circuito primario: dopo circa 0.1 s il circuito
viene chiuso e viene mantenuto tale sino al temine della
misura.
Figura 14: Differenza di potenziale in funzione del
tempo nel circuito secondario: dopo circa 0.1 s in
corrispondenza della apertura del primario, nel
secondario si genera una forza elettromotrice indotta di
tipo impulsivo che dura sinché nel primario vi è una
variazione di corrente.
Nella figura 13 si nota un breve transitorio
con un picco dovuto alla forza
elettromotrice autoindotta, come già
osservato nell'articolo citato [1].
Confrontando le figure 11 e 14 è da
notare il segno opposto della forza
elettromotrice indotta nei due casi in cui il
flusso magnetico aumenta e diminuisce.
Variazione di un campo magnetico
Quest’esperienza ha una certa
importanza da un punto di vista storico
perché è una di quelle effettivamente
realizzate da Faraday [3], Per creare il
sistema magnetico sono state utilizzate le
costruzioni Geomag (citare in nota ove
sono reperibili). Componendo le diverse
calamite si realizza una sorta di ‘circuito
magnetico’; se lo concateniamo ad una
spira e lo apriamo e lo chiudiamo, ai capi
di quest’ultima si genera una forza
elettromotrice indotta
Figura 15: apparato sperimentale per creare un campo
magnetico che può essere variato aprendo e chiudendo
il 'circuito magnetico'.
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INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
La bobina utilizzata ha 400 spire, il tempo
di campionamento è di 0.01 s
Il grafico seguente mostra
un’acquisizione della durata di 4 secondi,
duranti i quali si sono verificati 3 eventi:
apertura, chiusura e riapertura del
‘circuito magnetico’.
rispettivamente utilizzando la bobina con
600 spire come primario e quella con
300come secondario. Nei grafici il
cursore è sempre stato posizionato su un
massimo in modo da avere una stima
delle differenze di potenziale.
Figura 18: differenza di potenziale nel circuito primario
(600 spire): la ddp di picco è di circa 10 V
Figura 16: forza elettromotrice indotta ottenuta una
bobina al variare della forma del 'circuito magnetico'
Circuiti accoppiati in corrente
alternata: il trasformatore
E’ interessante anche vedere ‘in diretta’
come funziona un trasformatore. Per
realizzarlo abbiamo utilizzato due bobine
da 300 e 600 spire, alimentando il
primario con una corrente alternata di
bassa intensità, ottenuta collegando alla
rete elettrica un trasformatore
commerciale (rapporto tensioni:220/10
??).
Figura 19: differenza di potenziale nel circuito
secondario (300 spire): la ddp di picco è di circa 0.07 V
Per migliorare l’accoppiamento tra le due
bobine è stato inserito un nucleo di ferro
laminato (figura 20)
Figura 20: differenza di potenziale nel circuito
secondario (con nucleo di ferro ): la ddp di picco è di
circa 3.3 V
Figura 17: due bobine debolmente accoppiate
Il rapporto tra le differenze di potenziale
nei due circuiti accoppiati è ancora
distante dal valore che ci si aspetterebbe
applicando la formula generalmente
riportata nei libri di testo
∆V1 N1
≅
∆V2 N 2
Se si accostano le due bobine si ottiene
un accoppiamento piuttosto debole, come
mostrato nei grafici seguenti ottenuti
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INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
che presuppone induzione completa (non
raggiunta nel nostro caso in cui resta
disperso parte del flusso magnetico)
La dinamo di una bicicletta
Questo sistema ci sembra didatticamente
interessante in quanto coinvolge l’uso di
un oggetto quotidiano e ‘poco scolastico’ .
Occorre una dinamo, un morsetto per
fissarla, una pinza. Una volta collegata la
dinamo alle sonde di tensione si possono
iniziare le misure.
Figura 23: differenza di potenziale ai capi di una
dinamo: la rotella è stata girata facendo usando una
pinza come volano
Anche queste misure sono immediate e
di facile interpretazione. Possono essere
svolte direttamente dagli studenti anche
in una normale aula.
Questo sistema può essere studiato
facendo variare la velocità di rotazione
con l'uso di un trapano a frizione.
Collegando poi una lampadina si può
osservare come varia l'intensità luminosa
utilizzando l'apposita sonda.
Sarebbe utile una foto con la pinza (non
capisco neanche io come la usate)
Bibliografia
[1] M.Rafanelli, Atti del I°convegno
Nazionale ADT
[2] I.Sciarratta, Ipotesi, n°1, 2000
[3] Bergaschini, Marazzini, Mazzoni, Temi
e Metodi della Fisica, Signorelli Editore,
1995
Figura 21: apparato sperimentale per lo studio di una
dinamo
Con un tempo di tempo di
campionamento pari a 0.01 secondi sono
stati ottenuti i grafici seguenti
Autori
Isabella Soletta, I.I.S. 'Giuseppe Manno'
di Alghero, SISS dell'Università di Sassari
Mario Branca, Dipartimento di Chimica
dell'Università di Sassari, SISS
dell'Università di Sassari
Figura 22: differenza di potenziale ai capi di una
dinamo: la rotella è stata girata a mano
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