I fenomeni magnetici fondamentali
Prerequisiti:
Conoscenza dei concetti di carica elettrica, campo elettrico, differenza di potenziale e
corrente
Saper motivare la conduzione elettrica nei corpi solidi
Conoscere il concetto di campo
Conoscere i modelli atomici e la struttura della materia
Conoscere il funzionamento di semplici circuiti elettrici
Obiettivi cognitivi:
Conoscere le proprietà di corpi magnetici
Confrontare le interazioni magnetiche, gravitazionali ed elettriche
Conoscere le proprietà di campi magnetici generati dalla corrente in conduttori
rettilinei
Comprendere l’origine del campo magnetico
Conoscere gli esperimenti operati da Oersted e Rowland ed interpretare i relativi
risultati
Obiettivi operativi:
Dedurre le proprietà dei corpi magnetici dalla loro osservazione e manipolazione
Organizzare esperimenti che evidenzino l’interazione tra la corrente ed un ago
magnetico
Descrivere con un linguaggio chiaro ed appropriato gli strumenti e le procedure
utilizzate durante gli esperimenti
Cooperare all’interno di un gruppo
Contenuti:
Definizione operativa di polo magnetico
Differenze ed analogie tra interazioni elettriche, magnetiche e gravitazionali
Campo magnetico generato dalla corrente elettrica in un conduttore rettilineo
Origine del fenomeno magnetico
Metodologia:
Attività di laboratorio condotta dall’insegnante.
Lezione partecipata;
Strumenti :
Libro di testo
Appunti
una pila
fili in rame con relativi morsetti
interruttore
bussola con supporto trasparente.
E’ esperienza di quasi tutti gli studenti quella di aver giocato dei delle calamite. Attratto
oggetti metallici, attratto/respinto altre calamite, aver osservato, forse per la prima volta, la
capacità di riuscire a muovere un oggetto senza toccarlo.
Se queste esperienza non sono state fatte da tutti, allora sarà il caso, prima ancora di
introdurre l’argomento, di portare in classe dei magneti e farli manipolare dagli studenti
affinché ne notino le caratteristiche principali.
Ovviamente, ciò che non consente agli studenti di afferrare concetti più profondi circa il
magnetismo è la mancanza di sistematicità e di organizzazione concettuale delle loro
osservazioni e da qui si dovrà partire.
Anzitutto che il magnete si comporta diversamente alle sue estremità rispetto al centro.
Le estremità di due barrette possono attrarsi e respingersi, quindi si hanno due
comportamenti differenti.
Spaccando una barretta magnetica, non si separano i due poli, ma si ottengono due
magneti aventi ciascuno due poli magnetici.
Allora si tratta di dare un nome ai due poli, sulla base del loro comportamento. Si potrebbe
attribuire lo stesso nome ai poli che si attraggono o al contrario a quelli che si respingono.
Supponiamo allora di sospendere due barrette magnetiche ad una distanza tale da non
renderle influenzabili l’una dalle altre. Allora entrambi si orienteranno secondo una stessa
direzione. Scelto allora un verso di questa direzione come nord, allora noteremo che le
estremità che si orientano verso nord si respingono, allora definiremo operativamente
uguali i poli che si respingono e diversi quelli che si attraggono.
Definiamo inoltre poli Nord gli estremi che si rivolgono, se liberi di ruotare, verso il nord
terrestre, al contrario poli Sud quelli che si orientano verso il polo Sud Geografico. A tal
proposito vi è un preconcetto degli studenti circa il fatto che il polo Nord magnetico della
terra si trovi vicino il polo Nord Geografico e che la direzione individuata dall’ago
costituisca la direzione nord-sud della terra. Al contrario sappiamo che se il polo della
barra magnetica è attratto dal un polo della terra, allora, per come abbiamo definito uguali i
poli, questi sono diversi e la direzione nord-sud risulta deviata di circa 10° rispetto a quella
indicata dai poli nord e sud dell’ago.
A questo punto si dovranno evidenziare analogie e differenze tra interazioni magnetiche
ed interazioni elettriche e gravitazionali.
- non c’è attrazione/repulsione tra i poli di un magnete ed una carica elettrica immobile
- ci sono 2 tipi di cariche e due tipi di poli
- non c’è bipolarità nella gravità
- non c’è relazione tra magnetismo e strofinio
- il magnetismo non fugge via da un magnete quando lo tocchiamo (al contrario di un
corpo elettrizzato)
- le iterazioni gravitazionali non hanno nulla a che fare con gli effetti di elettrizzazione e
magnetizzazione.
Un altro preconcetto ricorrente negli studenti è quello di ritenere che vi possano essere
interazioni tra cariche elettriche statiche e poli magnetici e tra cariche statiche e fili
percorsi da corrente.
Al fine di fare chiarezza sull’argomento possiamo organizzare un esperimento
particolarmente semplice.
Si prende una batteria (mod 3R12 – 4,5 volt), due fili di rame con bocche di coccodrillo alle
estremità, eventualmente un interruttore ed una bussola preferibilmente di quelle con ago
montato su supporto trasparente (da orienteering).
Si farà dunque notare che se si avvicina la bussola alle lamelle che costituiscono i poli
della batteria, l’ago non ne risulta influenzato; lo stesso accade se collego i fili ai poli della
batteria lasciando l’interruttore aperto. Chiudendo l’interruttore, il filo metterà in contatto i
due poli della batteria che, per costruzione sappiamo avere un potenziale diverso la cui
differenza risulta circa 4,5 v e quindi è lecito pensare che vi sia un transito di elettroni nel
filo e quindi una corrente elettronica. Contestualmente alla chiusura del circuito si
osserverà nell’ago della bussola una immediata rotazione che lo orienta secondo una
nuova direzione. Si potrà a questo punto aprire il circuito e richiederlo dopo qualche
secondo per verificare che la rotazione sia effettivamente dovuta alla corrente. Bisogna
però non tenere il circuito chiuso per troppo tempo in quanto questo provoca la rapida
polarizzazione della batteria, peraltro testimoniata dal suo riscaldamento.
Un analogo esperimento fu realizzato da Oersted e ciò gli consenti di affermare che “una
corrente elettrica genera nello spazio circostante un campo magnetico”, quello che
interagisce con l’ago magnetico.
Da un simile esperimento si possono dedurre ulteriori proprietà del campo magnetico
generato da una corrente:
- la direzione dell’ago varia al variare della sua posizione attorno al filo
- se si inverte la corrente, si inverte l’orientamento assunto dall’ago
- l’ago si orienta secondo la regola della mano destra
- aumentando la distanza tra filo ed ago diminuisce l’intensità dell’effetto sull’ago
- facendo aumentare la corrente aumenta l’intensità dell’effetto sull’ago.
A questo punto bisognerà far notare che la rotazione dell’ago avviene perché ha una
massa ridotta rispetto al circuito realizzato, ma che se fosse possibile avere masse
confrontabile e tali da poter ruotare senza attrito, osserveremmo una rotazione di entrambi
gli oggetti.
Molti libri di testo trascurano, dandola per scontato, la sovrapposizione degli effetti
magnetici , sI potrebbe dunque realizzare un circuito come nella seguente figura:
e osservare che:
- nella zona A e B l’intensità dell’azione sull’ago è uguale (uniformità della corrente
elettrica nel circuito) ed il verso è opposto
- nel punto B il momento esercitato sull’ago è doppio
- In C il momento esercitato sull’ago è nullo.
E’ importante infine far notare che nella maggior parte dei fenomeni osservati
(gravitazione), le forze agiscono lungo la linea che congiunge le particelle interagenti
(forze collineari), in questo caso le forze sono ortogonali a tale direzione.
Si potrebbe inoltre chiedere se il movimento di elettroni in un conduttore può essere
simulato anche movendo un oggetto elettrizzato all’interno di un ambiente ? Si potrebbe
infatti ritenere che il campo magnetico possa essere generato solo dal movimento di
elettroni nel conduttore. Bisognerà a questo punto descrive l’esperimento di Rowland che
nel 1875 verifico la presenza di un campo magnetico generato da un disco con estremità
elettrizzata messo in rotazione ad una forte velocità.
A questo punto si può chiedere agli studenti perché la magnetite genera un campo
magnetico e se questo può essere messo in relazione con il movimento ordinato degli
elettroni attorno al nucleo dell’atomo a cui appartengono. L’ipotesi che il magnetismo dei
magneti permanenti fosse dovuto al movimento delle cariche elettriche contenute nei
magneti stessi e che quindi fosse dovuta a microscopici magneti fu formulata dal fisico
francese Ampere a cavallo del 1800 decine di anni prima che venisse ipotizzato il modello
atomico di Rutherford e Bohr.
Nelle lezioni successive si potranno studiare le linee di forza dei campi magnetici permanenti
e quelli generati da correnti elettrici attraverso esperimenti con la limatura di ferro e spiegare
il funzionamento dei motori elettrici.
Verifica:
Il livello di apprendimento sarà accertato attraverso verifiche scritte (una prova
semistrutturata) ed orali. Durante queste si verificherà l’eventuale persistenza di
modelli concettuali errati e la capacità di descrivere con un linguaggio chiaro ed
appropriato le apparecchiature usate ed il loro funzionamento. Verranno inoltre
utilizzate come strumenti di verifica anche le ricerche, fatte elaborare in gruppi, così
da abituare gli studenti alla cooperazione per il raggiungimento di un obiettivo
comune.
Valutazione:
La valutazione avverrà secondo un modello ideale di rendimento, per cui verrà elaborata
una griglia di valutazione che faciliti il passaggio dal punteggio dei singoli quesiti al voto.
Tempi del percorso didattico: 6 ore
