Esperienze di Laboratorio - EM, Ottica e MQ
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Laboratorio di elettromagnetismo Dott. Mirco Andreotti Dip. Fisica UNIFE A.A. 2008/2009 Laboratorio di Elettromagnetismo In questo documento proponiamo alcune esperienze di laboratorio di elettromagnetismo che possono essere affrontate in diversi ambiti. Le esperienze proposte possono essere svolte in ambito universitario nei corsi di elettromagnetismo o di fisica in generale, in ambito postuniversitario nella SSIS per le classi di concorso che comprendono fisica e in ambito di scuola secondaria superiore. Le esperienze proposte possono mettere in luce diversi aspetti, quali la fase di progettazione, il carattere didattico, l’analisi dell’esperienza e l’analisi dei dati raccolti. L’apparato sperimentale di ogni singola esperienza è stato pensato il più possibile semplificato in modo che ogni esperienza possa essere realizzata in modo più o meno semplice. Diciamo che l’apparato sperimentale richiede un minimo di attrezzatura di laboratorio, materiale facilmente recuperabile e semplici apparati realizzabili con un minimo di attrezzatura. Proponiamo inoltre un’ultima esperienza di ottica, la quale può essere molto interessante per studenti delle scuole secondarie superiori e può essere utilizzata per determinare le caratteristiche del materiale usato in un’altra esperienza di elettromagnetismo proposta. Le esperienze che proponiamo sono qui elencate e nel seguito descritte in dettaglio: 1. Misura del campo magnetico terreste 2. Determinazione della dipendenza del campo magnetico dal numero di spire di una bobina 3. Analisi delle superfici equipotenziali in un campo elettrostatico 4. Misura della velocità di propagazione del campo elettrico all’interno di un conduttore 5. Misura della forza di Lorentz 6. Misura della forza di Coulomb 7. Misura del diametro di un capello 8. Verifica del principio di indeterminazione posizione-impulso nei fotoni 1/4 Laboratorio di elettromagnetismo Dott. Mirco Andreotti Dip. Fisica UNIFE A.A. 2008/2009 1. Misura del campo magnetico terrestre Con questa esperienza ci proponiamo di misurare la componente orizzontale del campo magnetico terrestre. L’esperienza consiste nel seguente materiale: a. un avvolgimento per produrre un campo magnetico, nel nostro caso è un avvolgimento composto da 10 spire quadrate di lato pari a 25 cm circa; in alternativa si può utilizzare un solenoide cilindrico o un qualsiasi avvolgimento con geometria tale da poter calcolare analiticamente il campo magnetico prodotto conoscendo la corrente circolante e la geometria. b. Un ago magnetico con supporto con attrito ridotto e scala graduata per misurare l’angolazione dell’ago oppure una bussola graduata; c. Un alimentatore di tensione continua per alimentare l’avvolgimento d. Un multimetro (o amperometro) per la misura della corrente circolante nell’avvolgimento Lo svolgimento dell’esperienza consiste nel posizionare l’ago magnetico dell’avvolgimento, posizione per la quale è facilmente calcolabile il campo B. nel centro A corrente nulla, quindi campo B prodotto nullo, l’ago magnetico si orienta secondo la direzione del campo magnetico terreste, ruotiamo quindi l’avvolgimento in modo l’ago magnetico sia ortogonale all’asse dell’avvolgimento. Facendo circolare corrente generiamo un campo magnetico B che sarà ortogonale al campo terrestre, regoliamo quindi l’alimentazione in modo da far assumere all’ago magnetico un’orientazione di 45° rispetto all’asse dell’avvolgimento. In questa configurazione l’ago magnetico risente di due componenti: il campo terreste e il campo prodotto. Se l’angolo formato è pari a 45° significa che le due componenti hanno stessa intensità. Dalla conoscenza della corrente e dalla geometria dell’avvolgimento possiamo determinare il valore dal campo nella configurazione di equilibrio. Tale valore è pari alla componente orizzontale del campo terrestre. Per confrontare il valore ottenuto con l’effettivo valore del campo alle coordinate geografiche corrispondenti possiamo far riferimento al seguente sito dal quale possiamo conoscere il campo magnetico terrestre in funzione delle coordinate geografiche: http://ngdc.noaa.gov/geomag/ Per determinare le coordinate geografiche si può far riferimento a http://earth.google.it/ 2/4 Laboratorio di elettromagnetismo Dott. Mirco Andreotti Dip. Fisica UNIFE A.A. 2008/2009 2. Determinazione della dipendenza del campo magnetico dal numero di spire di una bobina Per questa esperienza utilizziamo lo stesso apparato sperimentale della precedente, quindi regoliamo la corrente in modo da far deviare l’ago magnetico dalla posizione iniziale ed avvicinandosi a 90°. Meglio non impostare 90°, in quanto in corrispondenza di questa inclinazione potremmo avere un campo B prodotto molto intenso e la riduzione del numero spire potrebbe non essere evidente. Portiamo quindi per esempio verso i 60°-70°, quindi iniziamo a diminuire il numero di spire e in corrispondenza do ogni diminuzione annotiamo l’angolo di inclinazione. Con queste due esperienze mettiamo in evidenza il carattere vettoriale del campo magnetico. 3. Analisi delle superfici equipotenziali in un campo elettrostatico Questa esperienza si realizza utilizzando un contenitore di vetro per esempio rettangolare nel quale viene versato un po’ di acqua. Alle estremità del contenitore si immergono in acqua due elettrodi che possono essere di forme diverse (uguali a coppia). Si impone una differenza di potenziale fra questi elettrodi e con un voltmetro si misura il potenziale elettrico in diversi punti del contenitore. E facile vedere le superfici equipotenziali e la loro relazione con la forma degli elettrodi. 4. Misura della velocità di propagazione dei segnali elettrici in un cavo nei conduttori È interessante misurare la velocità di propagazione dei segnali elettrici nei conduttori, la quale risulterà essere molto elevata, in modo da poter spiegare la rapidità con cui la lampadina di casa si accende dopo aver chiuso l’interruttore. È inoltre interessante confrontare la velocità che si misura con la velocità di deriva degli elettroni in una corrente elettrica, la quale risulta essere molto bassa, dell’ordine del mm/s. Da questa esperienza si può concludere che la rapidità di risposta delle apparecchiature elettriche è dovuta all’alta velocità di propagazione del campo elettrico in un conduttore, il quale quindi mette in moto quasi immediatamente tutti gli elettroni nel conduttore nel loro insieme. Per questa esperienza è necessario un generatore di funzioni, un oscilloscopio e alcuni cavi. Con il generatore di funzioni si genera un impulso quadrato continuo e lo si invia in un canale dell’oscilloscopio, quindi qui si divide il conduttore e se ne collega uno di qualche metro e il segnale in uscita da questo si collega al secondo canale dell’oscilloscopio. Sull’oscilloscopio, in funzione del tempo, siamo in grado di visualizzare il segnale generato e lo stesso segnale dopo aver percorso il cavo lungo, quindi si può misurare il tempo di percorrenza nel cavo. Infine si può valutare la velocità. 5. Misura della forza di Lorentz Con questa esperienza si può valutare l’intensità della forza di Lorentz e verificarne la dipendenza dalle variabili in gioco. L’esperienza consiste nell’immergere un conduttore cilindrico piccolo libero di ruotare in un campo B noto. Facendo circolare una corrente nota nel conduttore, questo risente della forza di Lorentz e inizia a muoversi di moto di rotolamento uniformemente accelerato. Con un circuito elettronico possiamo misurare il tempo impiegato dal cilindro per partire da fermo e percorrere un distanza nota, da cui si può ricavare, applicando le leggi della dinamica al corpo rigido, l’intensità della forza di Lorentz. Il campo magnetico B noto si può generare con una solenoide cilindrico. 3/4 Laboratorio di elettromagnetismo Dott. Mirco Andreotti Dip. Fisica UNIFE A.A. 2008/2009 Per questa esperienza sono necessari un solenoide cilindrico, un conduttore cilindrico e supporti conduttivi, due alimentatori, due multimetri e il sistema elettronico per la misura del tempo. 6. Forza di Coulomb Si vuole tentare di determinare la legge di Coulomb utilizzando un sistema di due sfere conduttrici appese a due fili vincolati in un unico punto. I fili sono di materiale conduttore (questo fatto potrebbe falsare un po’ i dati). Tutto il sistema è inserito in conduttore isolante e a fili si può collegare un generatore ad alta tensione. Raggiunto un certo potenziale le sfere tendono ad allontanarsi per raggiungere la situazione di equilibrio fra forza peso, forza elettrica e tensione del filo. Misurando l’angolo di apertura fra i due fili per diversi valori di potenziale si può verificare la relazione che esprime il sistema in equilibrio. 7. Misura del diametro di un capello con la diffrazione (ottica) Il capello è un ostacolo molto piccolo, quindi se investito con una luce di opportuna lunghezza d’onda, su uno schermo lontano produrrà una figura di diffrazione. Da questa si può determinare il diametro del capello. Con questa esperienza possiamo anche misurare il diametro del flo usato nell’esperienza 6, al fine di valutare la densità di carica superficiale ed eventualmente tenere in conto anche di questa interazione per l’esperienza 6. Il materiale occorrente è un laser (anche i semplici puntatori dovrebbero andare bene, vari supporti per filo e capello. 8. Verifica del principio di indeterminazione posizione-impulso per i fotoni (Meccanica quantistica) Un fascio laser può essere interpretato come un fascio di fotoni con velocità parallele e in moto all’interno di una regione limitate approssimativamente identificabile con un cilindro. Interponendo sul fascio una piccola apertura e come eseguire una misura della posizione dei fotoni del fascio nella direzione dell’apertura, in quanto solo quelli ristretti all’apertura passano oltre l’ostacolo. La larghezza dell’apertura può quindi essere interpretata con l’intervallo di incertezza sulla misura della posizione. Passando attraverso l’apertura i fotoni del fascio perdono il parallelismo reciproco e dopo l’apertura il fascio risulta più sparpagliato. Questo sparpagliamento indica la comparsa di una componente della velocità dei fotoni ortogonale alla direzione originaria del laser. La larghezza della zona in cui si sparpagliano i fotoni passanti sullo schermo sarà proporzionale all’incertezza sulla componente ortogonale della velocità. I prodotti fra le due incertezze dovrebbero essere costanti e questa costanza verifica il principio di indeterminazione. 4/4 This document was created with Win2PDF available at http://www.win2pdf.com. The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only. This page will not be added after purchasing Win2PDF.
