Riassunto / Abstract

L’esperimento propone la osservazione del movimento rotatorio tra un magnete e una bobina presenti in generatore di corrente alternata, con l’obbiettivo di costruire un modellino di alternatore.

Scheda sintetica delle attività

Si costruisce un circuito formato da una bobina da 600 spire ed un galvanometro a zero centrale collegando i due componenti con cavi lunghi e flessibili che permettano il movimento rotatorio della bobina rispetto ad un magnete fisso e viceversa il movimento di un magnete rispetto alla bobina, registrando in entrambi i casi una corrente indotta.
Si costruisce poi un modellino funzionante di alternatore con materiale “povero” e di facile reperibilità.

Risorse necessarie

• 2 bobine da 600 spire con morsetti per alimentazione;
• 1 magnete a ferro di cavallo di circa 10×20 cm;
• 1 magnete cilindrico di neodimio (lunghezza 5cm, diametro 1cm);
• 4  cavi per collegamento elettrico ricoperti con morsetti, lunghezza 40 cm;
• amperometro a zero centrale (piccolo galvanometro);
• cilindro in plastica trasparente o di cartone duro (altezza 10cm, diametro 4 o 5cm);
• filo di rame verniciato per avvolgimenti (sezione 1mm, 1 bobina da circa 300m);
• astina in plastica dura o metallo (diametro 3mm  e lunghezza 10cm);
• 2 piccoli magneti cilindrici in neodimio (ad es. diametro 1cm, altezza 1cm);
• nastro isolante o gomma fissante (per fissare i magnetini sull’astina);
• morsetti per filo elettrico;
• una piccola lampadina LED.

Prerequisiti necessari

• La corrente elettrica e la misura della sua intensità;
• concetto di flusso di campo magnetico;
• Induzione elettromagnetica e la legge di Faraday-Neumann-Lenz.

Obiettivi di apprendimento

• Approfondire il concetto di induzione elettromagnetica entrando nel merito di alcune sue applicazioni;
• comprendere il principio di funzionamento di un alternatore;
• costruire un modellino funzionante di alternatore con materiale povero.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Introduzione

Con gli esperimenti di Faraday si evidenzia che basta la presenza di un magnete, di un conduttore elettrico ed il loro movimento relativo per generare una corrente elettrica senza bisogno di un generatore elettrochimico.

Il movimento continuo più semplice da ottenere è quello rotatorio. Si vuole mettere in evidenza l’effetto di questo movimento perché è ciò che costituisce il funzionamento degli alternatori.

Bobina che ruota in campo magnetico statico

Realizzazione ed osservazione

• Disponete il magnete a ferro di cavallo con i rebbi verticali e verso l’alto.
• Collegate tra loro, in un unico circuito, le due bobine da 600 spire (blu) e disponetele sufficientemente lontane tra loro affinché il magnete a ferro di cavallo non agisca direttamente sul magnete dell’amperometro.
• Inserite in una bobina il piccolo amperometro a zero centrale, ponete l’altra bobina il più possibile vicino all’estremità dei rebbi e con il suo asse perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico del magnete.
• Ruotate velocemente la bobina di 90° su un piano orizzontale, l’ago dell’amperometro oscillerà brevemente.
• Riportando la bobina alla sua posizione iniziale l’ago dell’amperometro tornerà ad oscillare in verso opposto (figura 1).

Interpretazione
Come si può interpretare questo esperimento alla luce del fenomeno dell’induzione elettromagnetica?

Quando la bobina è disposta con il suo asse (circa) perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico del magnete a ferro di cavallo, il flusso del campo magnetico attraverso le spire della bobina è praticamente nullo. Ruotando la bobina di 90° si fa variare il flusso del campo magnetico fino ad un valore massimo (le linee di forza del campo magnetico concatenano tutte le spire della bobina). Questa variazione di flusso di B crea nella bobina una f.e.m. indotta che causa una breve corrente elettrica nel circuito chiuso delle due bobine, corrente che viene rilevata dall’amperometro.

Ruotando la bobina di 90° in senso opposto essa viene attraversata da un flusso di campo magnetico che diminuisce nel tempo causando una f.e.m. e quindi una corrente in senso opposto.

Se si potesse ruotare la bobina con continuità avremmo una corrente la cui intensità varia nel tempo con lo stesso periodo di rotazione della bobina.

Magnete che ruota e bobina fissa

Realizzazione ed osservazione

• Appendete il cilindretto magnetico di neodimio ad un filo che lo sostenga nel suo centro (figura 2a)

• Collegate tra loro, in un unico circuito, le due bobine da 600 spire (blu).
• Inserite in una bobina il piccolo amperometro a zero centrale, e disponete l’altra bobina con il suo asse orizzontale e sufficientemente lontana dalla prima affinché il magnete non agisca direttamente sul magnete dell’amperometro.
• Mettete in rotazione il cilindretto di neodimio, appeso al filo, di fronte alla bobina lontana dall’amperometro: l’ago dell’amperometro a zero centrale compirà piccole oscillazioni intorno alla sua posizione di equilibrio. (figura 2b)

Interpretazione
Come si può interpretare questo esperimento alla luce del fenomeno dell’induzione elettromagnetica?

In modo simmetrico al punto precedente.

Modellino di alternatore

Realizzazione

• Unite tra di loro i due magneti di neodimio con polarità opposte affacciate servendovi del nastro isolante (o della gomma fissante) e fate passare nel centro l’astina metallica (figura 3).

• Ricavate nel cilindro trasparente due fori a metà altezza e diametralmente opposti. Uno di questi fori deve avere un taglio per permettere all’astina di posizionarsi con i magneti all’interno del cilindro (figura 3).
• Avvolgete il filo di rame verniciato intorno al cilindro con almeno 500 avvolgimenti simmetrici rispetto all’astina con i magneti (figura 4a)
• Spelate le estremità dell’avvolgimento di filo di rame ed inseritele in morsetti per contatto elettrico (figura 4b).

Osservazione ed interpretazione

Inserite i morsetti nei contatti della bobina da 600 spire nella quale avrete posizionato il piccolo amperometro a zero centrale con l’avvertenza di disporre l’amperometro sufficientemente lontano dall’alternatore perché i magneti non interagiscano direttamente. Mettete in rotazione con le dita l’astina con i magneti, l’ago dell’amperometro oscillerà intorno allo zero: si è ottenuta una corrente alternata (vedi figura 5).

Inserendo al posto dell’amperometro un LED… che cosa avviene? Spiegate…

Bibliografia

• http://www.arvindguptatoys.com/

Autori

Sestini Novella

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Bobine elettriche, filo di rame, magneti cilindrici, magnete a U, cavetti per connessioni elettriche, galvanometro Durata esperimento in classe 1 h Capacità di bricolage/assemblaggio Sì Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Elettromagnetismo Induzione elettromagnetica Alternatore Energia elettromagnetica