Riassunto / Abstract

Utilizzando materiale facilmente reperibile è possibile costruire un galvanometro rudimentale, sufficiente per far vedere fenomeni legati all’induzione elettromagnetica.

Scheda sintetica delle attività

Si realizza un galvanometro utilizzando un cartoncino, una coppia di piccoli magneti e una bobina di filo conduttore che può essere acquistata o realizzata a mano usando filo di rame smaltato reperibile facilmente on-line.
Si usa il galvanometro per osservare qualitativamente fenomeni di induzione elettromagnetica: ad esempio correnti indotte dal moto di magneti in prossimità di una bobina, effetto della corrente nel galvanometro.

Risorse necessarie

• Due bobine di rame smaltato o, in alternativa, filo di rame smaltato e supporti per avvolgerlo;
• coppia di magneti piccoli (cubetti da 2-3 mm);
• alcuni magneti più grandi;
• cartoncino, filo elettrico.

Prerequisiti necessari

• Saper montare un circuito elettrico semplice;
• saper osservare con curiosità i fenomeni.

Obiettivi di apprendimento

• Realizzare uno strumento per osservare fenomeni di induzione elettromagnetica;
• porsi domande e caratterizzare in modo qualitativo fenomeni di induzione elettromagnetica;
• formulare ipotesi e usare modelli interpretativi per fenomeni di induzione;

Dotazioni di sicurezza

Nessuna.

Svolgimento

Costruzione del galvanometro

Un galvanometro rudimentale può essere realizzato come mostrato in figura utilizzando un cartoncino opportunamente ritagliato, al quale vengono attaccati una coppia di piccoli magneti, sospeso in una bobina di rame.

Le bobine di rame non sono facili da trovare in commercio ma molti laboratori scolastici ne hanno oppure possono essere realizzate acquistando dei rocchetti di rame smaltato che invece sono facili da trovare sui siti di vendite on-line (cercando: filo rame smaltato avvolgimenti). Bobina da circa 500 spire sono sufficienti per gli scopi dell’esperienza.
Magnetini cubici/cilindrici con campi magnetici anche molto intensi si acquistano anch’essi su siti on-line (supermagnete.it ad esempio). Una coppia di magnetini di qualche millimetro di diametro e un paio di mm di spessore sono sufficienti per l’equipaggio. Per le osservazioni conviene acquistare cilindretti più grandi: 2-5 mm di diametro e alti 0.5-1 cm.

Durante la costruzione sistema oscillante (equipaggio mobile) si può discutere di equilibrio e oscillazioni: il sistema è in equilibrio se il baricentro si trova più in basso rispetto alla retta di appoggio. Spostando in alto o in basso i magnetini cambia la frequenza di oscillazione del sistema e il tipo di risposta.

Osservazioni

Osservazione 1

L’equipaggio mobile oscilla se muovo un magnete in prossimità del sistema (figura 2) cosa chiaramente dovuta al fatto che il magnete del sistema risente del campo magnetico del magnete vicino.

Osservazione 2

Inserendo la bobina in un circuito alimentato da una batteria (1.5V sono più che sufficienti) si può vedere che il sistema si muove ogni volta che si chiude l’interruttore. Abbiamo uno strumento che reagisce al passaggio di corrente nella bobina a causa dell’interazione tra il campo magnetico prodotto dalla corrente elettrica e il campo magnetico dei magnetini. Invertendo la polarità della batteria l’effetto si inverte, quindi il sistema è sensibile alla direzione della corrente elettrica. 
Tarando opportunamente la posizione dei magnetini sull’equipaggio mobile si può ottimizzare la risposta, evitando, ad esempio, che il pendolo si ribalti oppure modificandone la sensibilità.

Inserendo una o più resistenze lungo il circuito è possibile vedere come, all’aumentare della resistenza, l’effetto diminuisce. Abbiamo quindi uno strumento la cui risposta è proporzionale alla corrente che passa nel circuito.

Osservazione 3

Si collegano in serie due bobine come in figura 4 facendo in modo che la distanza sia sufficientemente grande da evitare che il movimento del magnete influenzi sensibilmente il galvanometro (Osservazione 1). Si osserva che: 

1. muovendo il magne dentro e fuori la seconda bobina si vede reagire il galvanometro
2. non succede se il magnete si muove fuori della bobina.
3. l’effetto è maggiore se il magnete si muove rapidamente
4. l’effetto si amplifica se il magnete entra ed esce con una frequenza opportuna, significa che l’equipaggio mobile va in risonanza, ovvero la forza è una forza periodica con una frequenza vicina alla frequenza di risonanza dell’equipaggio mobile (pendolo)

Si capisce che muovere un magnete all’interno di una spira genera una corrente elettrica (1, 2), che questa è proporzionale alla velocità con cui si muove il magnete (3) e che cambia verso (4) a seconda se il magnete sta entrando o uscendo dalla bobina. 

Osservazione 4

.. e se? Facciamo un po’ di prove usando configurazioni diverse del magnete.

Utilizzando la stessa configurazione del caso precedente (osservazione 3) proviamo a: 

1. muovere il magnete dentro e fuori;
2. muovere il magnete all’interno della bobina;
3. utilizzare un magnete molto lungo (tanti cilindretti attaccati);
4. accoppiare due magneti come in figura in modo che N e S siano opposti;

muovere il magnete orientando N e S in orizzontale.

Solo il caso A produce un effetto sull’equipaggio mobile: i casi B, C, D, ed E producono effetti piccoli se non trascurabili. Questo ci permette di parlare del concetto di Flusso concatenato, o meglio di variazione di flusso concatenato: nel caso A quando il magnete si muove dentro e fuori la bobina cambia il numero di linee di flusso del campo magnetico concatenate con la bobina. Negli altri casi no:
in B le linee di campo magnetico sono sempre in gran parte all’interno della bobina, in C le linee di campo magnetico sono sempre in gran parte esterne, in D le linee di campo magnetico sono chiuse su se stesse, in  E le linee di campo magnetico non sono concatenate con la bobina.

Bibliografia

Autori

Meneghini Carlo

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Bobine di rame oppure filo di rame smaltato, due magneti piccoli e alcuni magneti più grandi, batteria, cartoncino 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 Corrente indotta Solenoide