Relazione di Fisica
Effetto magnetico della corrente elettrica
(Esperimento di Oersted)
Obiettivo:
Dimostrare l’effetto magnetico della corrente elettrica,
utilizzato per ottenere campi magnetici mediante
l’elettrocalamita.
Materiale:
1 Morsetto diametro 6 mm
1 Base a treppiede
1 Asta metallica 30 cm
1 Base a botte
1 Schermo ottico metallico
1 Interruttore su basetta
2 Cavetti di collegamento 60 cm
1 Bobina 400 spire
1 Perno con punta per ago magnetico
1 Ago magnetico
1 Alimentatore 40 Watt
1 Giogo di chiusura per nucleo ad “U”
1° Operazione
Si disponga lo schermo ottico metallico come piano
d’appoggio e su di esso si collochi la bobina, i cui terminali devono essere collegati, tramite
l‘interrutore, al generatore regolato in modo da fornire una tensione di 10 Volt in corrente
continua.
2a Operazione
Si prepari, a parte, l’ago magnetico sull’apposito perno infilato sulla base a botte, e si disponga
il tutto in modo che l’ago si trovi all’altezza del foro centrale della bobina. A questo punto si
chiuda l’interruttore.
Domande:
a) Alla chiusura dell’interruttore cosa circola nel filo della bobina?
b) Come si comporta l’ago magnetico al passaggio della corrente nella bobina?
c) Come si può spiegare il fenomeno osservato?
Risposte:
a) Alla chiusura dell’ interruttore nella bobina circola corrente elettrica
b) Al passaggio della corrente nella bobina si crea un campo magnetico che induce l’ago a
oscillare, tendendo verso il foro della bobina, nella direzione delle linee di campo
magnetico
c) La bobina al passare di corrente elettrica si comporta come un magnete e quindi crea
un campo magnetico. Questo, comportandosi come un magnete, attiva quindi l’ago,
subendo una forza magnetica comincia a tendere la punta verso la bobina. L’intensità
che fa deviare l’ago esprime l’intensità del campo magnetico.
3° Operazione
Invertire i fili di collegamento al generatore, si osservi il comportamento dell’ago.
Domande:
a) Invertendo le polarità elettriche, che fenomeno ha luogo?
b) Come si comporta l’ago magnetico?
c) Che conclusioni si possono trarre?
Risposte:
a) Invertendo le polarità elettriche si inverte il polo
dell’ago che tende al foro, e quindi ha luogo un
inversione dei poli magnetici.
b) L’ago magnetico oscilla come nel caso precedente ma con
la parte opposta tendente al foro. Si muove in senso
antiorario tendendo all’allineamento con le linee di
campo magnetico.
c) Invertendo i fili cambia la direzione della corrente e
quindi si inverte il polo magnetico per la regola della
mano destra.
4° Operazione
Si ripeta più volte la precedente operazione, variando ogni volta la
tensione di alimentazione
Domande:
a) E’ lecito affermare che il campo magnetico creato dalla bobina diviene più intenso
aumentando la corrente che circola?
Risposte:
a) Si, aumentando la corrente elettrica aumenta il campo magnetico e l’ago oscilla più
velocemente
5° Operazione
Si ripetano le prove precedenti sostituendo la bobina di 400 spire con quella di 1600 spire,
regolando la d.d.p. del generatore in modo da far circolare correnti elettriche con le stesse
intensità della precedente prova.
Domanda:
b) A parità di intensità di corrente, il campo elettrico è più intenso se si aumenta il
numero di spire della bobina?
Risposte:
b) No L'intensità del campo magnetico è proporzionale al numero di spire che costituiscono
l'avvolgimento, L'aumento del numero di spire e quindi della lunghezza del filo riduce però la
corrente circolante (a parità di tensione) in conseguenza della legge di Ohm
6° Operazione
Si ripetano le precedenti operazioni avendo cura di introdurre nella bobina il nucleo di ferro
Domande:
b) L’introduzione di un nucleo di ferro esalta il campo magnetico?
c) Come si può spiegare tale fenomeno?
d) I fenomeni osservati suggeriscono qualche applicazione pratica?
Risposte:
b) Si, l’introduzione di un nucleo di ferro aumenta il campo magnetico.
c) Tale fenomeno è spiegabile col fatto che al campo magnetico della bobina si aggiunge quello
del nucleo di ferro
d) I fenomeni osservati possono essere impiegati: direttamente, per esempio per
deflettere particelle elettricamente cariche, come nel tubo catodico, negli acceleratori di
particelle, nello spettrometro di massa (alcune gru utilizzano un potente elettromagnete per
agganciare e sollevare rottami di ferro). Indirettamente, l'elettromagnete è più comunemente
usato per produrre lavoro meccanico; in questo caso è associato ad una parte mobile, in
materiale ferromagnetico, chiamata generalmente ancora. Il nucleo e l'ancora sono separati
da uno spazio di aria chiamato traferro, quando è applicata corrente, il campo magnetico
provoca un'attrazione tra i due elementi che tende a chiudere il traferro. La forza prodotta
può svolgere diverse azioni: chiudere contatti elettrici nei relè, manovrare valvole nelle
elettrovalvole, fare scattare serrature elettriche, muovere martelletti nei campanelli, spostare
la testina degli hard disk, azionare gli aghi o le frizioni nelle stampanti, muovere le lancette
degli strumenti di misura ecc.
Un altro esempio d'uso si ha nel campo delle serrature, dove l'elettromagnete viene usato per
tenere una porta chiusa, garantendone però l'apertura in caso di mancanza di corrente.
Conclusioni e accenni teorici:
Un esperimento simile fu compiuto dal fisico danese Hans Christian Oersted nel 1821. Con
esso, si dimostrò che la corrente elettrica produce un campo magnetico (la bobina attivata
faceva deviare l'ago magnetico). In particolare: quando non passa corrente, l'ago magnetico è
parallelo alla bobina, orientato secondo il campo magnetico terrestre; quando passa corrente,
l'ago magnetico ruota di 90°; quando si inverte la corrente, l'ago magnetico ruota in senso
opposto.
Questa fantastica scoperta permise alla fisica di collegare due ambiti che precedentemente si
pensavano distinti l’uno dall’altro: il mondo dei fenomeni elettrici e quello del magnetismo.
Interazioni elettriche possono produrre forze magnetiche e viceversa: per questo, da allora, si
parla di elettromagnetismo.
Induzione Elettromagnetica
Obiettivo:
Verificare che un campo magnetico per induzione elettromagnetica produce corrente
elettrica.
Materiale:
1 Magnete lineare
1 Bobina 400 spire
1 Strumento universale
1 Bobina 1600 spire
1° Operazione
Si disponga sul tavolo la bobina di 400 spire in modo da
poter infilare al suo interno il magnete lineare, cosi che
tutto il flusso magnetico creato dal magnete si concateni
con le spire della bobina.
Si colleghino quindi i terminali della bobina con il tester
che dovrà essere utilizzato come millivoltmetro in c.c.
con fondo scala di 100mV.
Domanda:
a) Mentre il magnete è fermo lo strumento segnala passaggio di corrente?
Risposta:
a) Se il magnete è fermo lo strumento non segnala passaggio di corrente.
2° Operazione
Estraendo dalla bobina il magnete si potrà osservare che lo strumento segnala l’insorgere di
una piccola f.e.m. Qualora l’ago si spostasse a sinistra basterà invertire le polarità del magnete
e ripetere l’operazione.
Domande:
a) Inizialmente il flusso magnetico che si concatenava con la bobina era massimo, alla fine
del movimento era nulla, quindi qual è la vera causa del fenomeno?
b) Quale effetto si è provocato nella bobina, con la variazione di flusso magnetico
generato dal movimento del magnete
c) Se anziché muovere il magnete si dovesse muovere la bobina si otterrebbe lo stesso
effetto?
Risposte:
a) La variazione di velocità del magnete. Il magnete fermo, infatti, non produce corrente
elettrica
b) Si è creata una corrente elettrica
c) Si perché l’importante è la variazione di velocità tra i due magneti.
3° Operazione
Si ripeta la precedente operazione ¾ volte, facendo variare ogni volta la velocità di estrazione
del magnete.
Domanda:
a) In che modo influisce la velocità di estrazione sul valore della f.e.m. che si induce nella
bobina?
Risposte:
a) Aumentando la velocità di estrazione del magnete aumenta il valore della f.e.m. che si
induce nella bobina
4° Operazione
Si ripetano le prove precedenti sostituendo alla bobina di 400 spire quella di 1600 spire. Si
prenda nota del valore massimo della f.e.m. Nel caso di massima velocità di estrazione dei due
casi.
Domande:
a) Come influisce il numero di spire della
bobina sul valore della f.e.m. indotta?
b) Alla luce delle esperienze eseguite è
possibile affermare che la f.e.m. indotta in una
bobina è proporzionale alla variazione del flusso
magnetico, alla velocità con cui varia tale flusso e al
numero di spire della bobina?
c) Tali conclusioni trovano riscontro nella
legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica?
Risposte:
a) Aumentando le spire aumenta la corrente
elettrica generata
b) Assolutamente si, sono tutte e tre variabili
essenziali per la riuscita dell’esperimento
c) Si per la formula E=-N(delta)(flusso magnetico)/(delta)(tempo)
Orientazione del circuito e della superficie concatenata usati nella legge di Faraday. Quando il
flusso magnetico cresce nella direzione della linea orientata si origina una corrente elettrica di
verso contrario a quello indicato, in accordo con la legge di Lenz.
Lo scienziato Faraday
La Legge di Lenz
1° Operazione
Risposte:
a) All'introduzione del magnete il flusso magnetico aumenta.
b) Il campo magnetico è di verso opposto e si oppone alla forza che l'ha causato.
c) Vero. La corrente alternata è un tipo di corrente elettrica caratterizzata da un
alternarsi di pulsazioni positive e pulsazioni negative. In questo processo infatti,
a seconda dei casi, si vedrà un'alternanza della direzione del verso che si
oppone, il quale scorrerà in un verso o nell'altro se il magnete esce o entra nella
bobina.
d) Nel primo caso il verso sarà verso l'alto (verso l'esterno); nel secondo caso il
verso è verso il basso (verso l'interno). In entrambi i casi, e in generale, il verso è
sempre opposto alla forza che lo ha causato.
Conclusioni e accenni teorici:
Avvicinando un magnete lineare a un circuito (in questo caso una bobina 400 spire), la
variazione di flusso del campo magnetico ΔΦ produce nel circuito una corrente indotta.
Questa corrente genera a sua volta un campo magnetico, il cui effetto sul circuito è, come
dimostrato nell'esperimento, quello di opporsi al campo magnetico esterno: il verso della
f.e.m. (forza elettromotrice) indotta è tale da opporsi alla causa che l'ha prodotta. Questo
significa che se, per esempio, la f.e.m. è stata generata da un aumento del flusso del campo
magnetico concatenato col circuito, essa tende a far circolare una corrente di verso tale da
produrre un flusso di verso opposto a quello inducente.
Quanto detto è riassunto dalla legge di Lenz, che stabilisce che la corrente indotta circola
sempre con verso tale da opporsi alle variazioni di flusso che l'hanno generata. Quindi la legge
di Lenz permette di prevedere quale sarà il verso della corrente indotta in un circuito da un
campo magnetico variabile.
La legge di Faraday-Neumann, con la legge di Lenz (legge di Faraday-Neumann-Lenz),
stabilisce che la f.e.m. indotta in un circuito sia esprimibile attraverso la relazione:
dove ΔΦ è la variazione di flusso nel tempo (Δt) e il segno meno tiene conto della legge di
Lenz.
L'autoinduzione
Poiché si ha una "forza controelettromotrice" ogni volta che interviene una variazione di
flusso di un campo magnetico, se consideriamo un solenoide nel quale si faccia variare − per
esempio, aumentare − l'intensità della corrente, si produrrà un campo magnetico variabile.
Man mano che l'intensità della corrente aumenta, aumenta anche il flusso del campo
magnetico generato dalla corrente stessa, quindi sul solenoide si produrrà una corrente
indotta, il cui effetto è quello di opporsi all'aumento della corrente inducente. Questo
fenomeno prende il nome di autoinduzione e la f.e.m. che si genera prende il nome di f.e.m.
autoindotta. In sintesi, quando il flusso di campo magnetico concatenato con un circuito varia
per effetto della variazione dell'intensità della corrente del circuito stesso, la f.e.m. è detta di
autoinduzione. Lo schema della figura 19.3 riassume i fenomeni principali connessi ai
magnetismi.
