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Misure di campo magnetico INTRODUZIONE 2 Per magnetismo si intende la proprietà di attirare dei pezzettini di ferro. Un pezzo di materiale che è dotato di magnetismo si chiama magnete o calamita. In natura esistono delle rocce che si comportano da magneti; per esempio la magnetite; tali magneti vengono detti naturali perché esistono in natura. Si chiamano magneti artificiali quelli costruiti dall'uomo; per esempio la calamita è un magnete artificiale in quanto è costruita prendendo un pezzo di ferro e magnetizzandolo con la corrente. I magneti artificiali si possono costruire di due tipi: magneti permanenti e magneti temporanei. Un magnete si dice permanente se conserva la magnetizzazione per molto tempo; la calamita e' un magnete permanente. Non tutti i metalli si magnetizzano. Si chiamano ferromagnetici i materiali che si magnetizzano molto bene, come il ferro. Si chiamano diamagnetici i materiali che non si magnetizzano affatto come il rame e l'alluminio. Nei magneti distinguiamo un polo nord N e un polo sud S. Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N esiste un polo S. Poli dello stesso nome si respingono; poli di nome contrario si attraggono. IL CAMPO MAGNETICO Si chiama campo magnetico lo spazio che circonda un magnete. Il campo magnetico si rappresenta con delle linee di forza che partono dal polo nord e terminano al polo sud esternamente al magnete. Un filo percorso da corrente genera attorno a sé un campo magnetico: Il campo magnetico generato da un filo di lunghezza infinita, percorsa da una corrente I è dato dalla formula: dove ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Un magnete si dice temporaneo se si comporta da magnete quando attorno ad esso si fa circolare della corrente elettrica e poi perde il magnetismo non appena finisce la corrente. Per esempio nel relè e' presente un magnete temporaneo. Misure di campo magnetico B(r) rappresenta il campo magnetico in funzione della distanza r 3 µ0 rappresenta una costante chiamata permeabilità magnetica del vuoto il cui valore è 4π*1010 I è la corrente elettrica che circola nel filo metallico R la distanza tra il filo e la posizione dove misuriamo il campo magnetico Se la corrente e' diretta verso l'alto il verso del campo magnetico e' antiorario, cioè contrario alle lancette dell'orologio tradizionale. Se il filo lo ripiego a forma di circonferenza ottengo una spira e se la corrente circola in senso antiorario nel filo il polo nord si trova sopra e quindi il polo sud sotto. Il tipo di magnetismo generato dalla corrente elettrica si dice elettromagnetismo. Si chiama solenoide un lungo filo avvolto in modo da formare tante spire; il solenoide e' detto anche bobina. Per costruire un elettromagnete occorre un pezzo di ferro su cui avvolgiamo un certo numero di spire, cioè un solenoide. Se applichiamo un generatore di tensione circolerà una certa corrente: se la corrente circola in senso antiorario vista da sopra il polo nord si trova sopra. Se il pezzo di ferro e' molto puro, cioè e' ferro dolce, quando stacco la corrente il magnetismo sparisce. Se invece il ferro non e' puro ma e' misto a carbonio o nichel allora il magnetismo resta ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Misure di campo magnetico IL NOSTRO GAUSSMETRO 4 INTRODUZIONE IL CIRCUITO ELETTRONICO Lo schema del circuito è riportato sotto esattamente come fornito dal professore. L’elemento 78L05 è un regolatore di tensione e permette di alimentare il circuito con tensioni comprese tra 9V e 12V. Il cuore del circuito è il sensore di Hall UGN3503U in grado di fornire in uscita dallo stesso una tensione proporzionale al campo magnetico nel quale è immerso. ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Lo strumento da noi realizzato è costituito da un gauss metro digitale il cui schema circuitale mi è stato fornito dal professor Bubani Massimo. L’elemento fondamentale del circuito è un sensore di Hall in grado di “reagire” alla presenza di un campo magnetico. Il sensore, e quindi tutta l’apparecchiatura, è sensibile ai campi magnetici solo se avvicinato in una direzione particolare per cui ho dovuto portare molta attenzione nel costruire l’elemento terminale, il sensore all’interno del porta sensore in vetro. Misure di campo magnetico Il sensore ha un coefficiente di taratura di 1.3mV per Gauss il che significa che per ogni Gauss il sensore fornisce una tensione di 1.3mV. Per esempio se immergo il sensore in 5 un campo magnetico di 129 Gauss sul display del tester avrò una lettura di 167,7 mV. Possiamo semplificare la lettura con una semplice taratura come spiegheremo in seguito. V1 e V2 sono due trimmer (resistenze variabili) necessari proprio per eseguire una corretta taratura. C1 e C2 sono due condensatori di capacità rispettivamente 100 nF e 22 µF. DVM è la sigla che indica un voltmetro o multimetro digitale. La sonda di misura è costituita dal sensore di Hall collegato al circuito per mezzo di due comuni fili elettrici. Il sensore è stato posizionato avendo l’accortezza di porre la dicitura presente sullo stesso verso la parte estrema del contenitore in vetro. Questo perché il sensore funziona correttamente solo quando la parte incisa si “dirige” verso la zona dove è presente il campo magnetico. Come “contenitore” che ospita il sensore è stata utilizzata una provetta da laboratorio di chimica. IL CONTENITORE La scatola in legno è stata da me realizzata nella mia piccola officina casalinga. Successivamente ho incollato il multimetro e ricavato le due finestre utili per agire sullo strumento di lettura. L’ALIMENTAZIONE Come alimentazione abbiamo deciso di utilizzare una batteria da 9V. in questo modo lo strumento diventa portatile ed utilizzabile anche all’esterno della scuola. E’ tuttavia possibile collegare lo strumento con un trasformatore ed utilizzare lo strumento come apparecchiatura da banco per eseguire numerosi esperimenti di scienze che coinvolgono misure di campo magnetico. PROCEDURA DI TARATURA DEL SENSORE DI HALL La procedura di taratura del sensore di Hall è molto semplice da eseguire. In fatti con un semplice artificio correggeremo la lettura in modo da avere 1mV (sul display del multimetro) equivalente ad 1 Gauss di campo magnetico. ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO LA SONDA Misure di campo magnetico Come detto di questa taratura si occupano i due trimmer (V1 e V2). Innanzitutto con il sensore collegato ma senza presenze di alcun campo magnetico (a parte quello 6 terrestre) ruotiamo V1 fino a quando sul display del multimetro si leggerà 0.00V. poi scolleghiamo il sensore di Hall (è sufficiente scollegare solo il piedino di uscita) e colleghiamo un generatore di tensione con un uscita di valore 1.3V in modo che la sua massa al punto A e la tensione di 1.3 V nel punto B. Fatto questo agiamo sul trimmer V2 in modo che sul display del multimetro si legga il valore di 1V. fatto questo, scolleghiamo il generatore da 1.3V e ricolleghiamo il sensore di Hall al punto B. Ora il sensore è tarato e se, per esempio, avviciniamo un magnete che genera un campo magnetico di 350 Gauss sul display del multimetro leggeremo un valore di 0.350V o 350 mV. Per misurare il campo magnetico prodotto da un magnete permanente o temporaneo bisogna avvicinare la sonda in vetro al magnete. Contemporaneamente sul display del multimetro si leggerà il campo magnetico presente in quella regione. Il valore letto sul display, espresso in millivolt corrisponde al medesimo valore di campo magnetico espresso in Gauss. Il fondo scala dello strumento (limite dovuto al sensore di Hall utilizzato) è di ± 1000Gauss equivalente ad 1V di lettura sul display. Lo strumento è in grado di determinare anche la polarità del magnete; infatti avvicinando la sonda al polo nord del magnete osserveremo un valore positivo sul display del multimetro mentre avvicinandolo al polo sud magnetico osserveremo un valore negativo. LE NOSTRE MISURE Una volta realizzato lo strumento lo abbiamo subito utilizzato per eseguire semplici misure. Come primo esperimento abbiamo utilizzato alcune calamite di dimensioni e “forza” diversa. Poi siamo passati a realizzare semplici combinazioni utilizzando le piccole calamite del gioco Geomag. ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO COME SI MISURA IL CAMPO MAGNETICO PRODOTTO DA UN MAGNETE? Misure di campo magnetico Elemento
Immagine
Una barretta
geomag
Tensione letta
sul display
Campo
magnetico
(mV)
(Gauss)
-68
-68
78
78
-68
-68
78
78
-80
-80
79
79
7 polo sud
Una barretta
geomag
polo nord
Due barrette
geomag
polo sud
Due barrette
geomag
polo nord
Tre barrette
geomag
polo sud
Tre barrette
geomag
polo nord
ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Misure di campo magnetico quattro
barrette
geomag
8 -69
-69
81
81
-68
-68
72
72
Vertice 1 (R-b) =2 Vertice 1 (R-b) =-12 Vertice 2 (B-r) =2 Vertice 2 (B-r) =16 Vertice 3 (r-b) =0 Vertice 3 (r-b) =0 polo sud
quattro
barrette
geomag
polo nord
Combinazione
sfera barrette
geomag
Combinazione
sfera barrette
geomag
Lato sud
Combinazione 1
sfere barrette
geomag
Combinazione 2
Vertice 1 (R-R) =-12 Vertice 1 (R-R) =-12 Sfere barrette
geomag
Vertice 2 (B-B) =16 Vertice 2 (B-B) =16 Vertice 3 (r-b) =0 Vertice 3 (r-b) =0 ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Lato nord
Misure di campo magnetico CONCLUSIONI L’utilizzo delle barrette ci ha permesso di verificare le principali regole del magnetismo: dalla presenza del polo sud e nord magnetico alla proprietà fondamentale che “spezzando” una calamita calamite si ottengono due calamite che conservano un polo NORD e un polo SUD. 9 Interessante è anche osservare come combinando le varie calamite fra loro possiamo sia annullare i campi magnetici presenti sulle sfere sia amplificarli secondo le leggi della magnetostatica. Utilizzando le barrette e le sfere è possibile realizzare moltissime configurazioni. Lasciamo ai visitatori della mostra ed alla loro fantasia creare, con le barrette e le sfere, figure piane e solide e misurare i campi magnetici prodotti. BIBLIOGRAFIA Corso di Scienze ‐ Maria Luisa Bozzi, Antonella Pietra, Luciano Altomani Lattes Sperimentare Scienze – Negrino Rodano Edizioni Il Capitello Dispense del prof. Massimo Bubani Materiale vario scaricato da Internet ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Facciamo Scienze ‐ Federico Tibone Zanichelli Editore Misure di campo magnetico 10 SOMMARIO Introduzione ................................................................................................................................................. 2 Il campo magnetico ...................................................................................................................................... 2 Il nostro gaussmetro ..................................................................................................................................... 4 Introduzione ............................................................................................................................................. 4 Il circuito elettronico ................................................................................................................................ 4 La sonda .................................................................................................................................................... 5 Il contenitore ............................................................................................................................................ 5 L’alimentazione ........................................................................................................................................ 5 Procedura di taratura del sensore di Hall ................................................................................................. 5 Come si misura il campo magnetico prodotto da un magnete? .............................................................. 6 Le nostre misure ....................................................................................................................................... 6 ISTITUTO COMPRENSIVO ANTONIO PISANO DI CALDIERO Bibliografia.................................................................................................................................................... 9