Riassunto / Abstract

Nell’esperimento si mette in evidenza l’azione magnetica sia di magneti che di correnti attraverso la limatura di ferro che visualizza le “linee di forza” di un ente reale: il campo magnetico.
Si descrive anche un’applicazione importante di questa azione: l’elettromagnete.

Scheda sintetica delle attività

Spargendo la limatura di ferro sopra un foglio di carta appoggiato sopra ad un magnete permanente si possono osservare le linee lungo le quali si orienta la limatura: esse descrivono l’andamento del campo magnetico.

La limatura di ferro forma linee analoghe anche quando la si sparge intorno ad una bobina percorsa da corrente continua. La realtà del campo magnetico sia di magneti che di correnti, introdotta da Faraday,  è osservabile ed è particolarmente intensa nei materiali ferromagnetici come il nucleo di un elettromagnete.

Risorse necessarie

• Limatura di ferro in una piccola scatola con coperchio bucherellato (tipo spargi sale);
• 2 fogli di cartoncino formato A4;
• 2 sbarrette magnetiche (magneti lineari ad es. 10x2cm);
• 1 magnete a ferro di cavallo;
• 1 bobina a sezione quadrata di 600 spire con morsetti di collegamento elettrico oppure  avvolgere un filo di rame smaltato (per avvolgimenti) direttamente sulle barrette di ferro;
• 1 sbarretta di ferro dolce che si inserisca nella bobina (di lunghezza maggiore della lunghezza della bobina);
• 3 pile da 4,5V poste in serie* oppure  un alimentatore in cc da 12V/5A;
• cavi con morsetti per collegamento elettrico;
• chiodini di ferro.

Prerequisiti necessari

• La corrente continua;
• conduttori in serie ed in parallelo;
• concetto di campo magnetico;
• campi magnetici generati da magneti e da correnti.

Obiettivi di apprendimento

• Magnetismo nella materia ed in particolare nei materiali ferromagnetici;
• approfondimento del concetto di campo, in particolare di campo magnetico di magneti e di correnti;
• ciclo di isteresi magnetica. Materiali ferromagnetici “dolci” e “duri”.

Dotazioni di sicurezza

nessuna

Svolgimento

Linee di forza di magneti e correnti

 Realizzazione ed interpretazione

• Appoggiate una sbarretta magnetica su una superficie piana e rigida, appoggiatevi sopra il foglio di cartoncino e cospargete su di esso un leggero strato di limatura di ferro. Battendo leggermente sui lati del cartoncino la limatura si disporrà in modo da formare delle linee dette linee di forza che visualizzano l’andamento del campo magnetico generato dalla sbarretta. Queste linee saranno più dense presso i poli e fra questi si disporranno secondo ampie curve. (figura 1)

Storicamente fu Faraday ad introdurre il concetto di campo, superando la descrizione della forza come azione a distanza,  proprio osservando le linee formate dalla limatura di ferro intorno ad un magnete lineare.

• Ripetete l’esperimento usando i due magneti lineari con le polarità omonime affacciate (figura 2)

Si può interpretare questa diposizione come un unico magnete con l’interno “trasparente”. Nello spazio tra le due sbarrette magnetiche le linee di forza sono parallele: questo verifica in modo approssimativo l’affermazione che il campo magnetico all’interno di una sbarretta magnetica è uniforme, come del resto si intuisce anche dalla disposizione della limatura di ferro all’interno dei magneti lineari.

• Appoggiate su un foglio di cartoncino la bobina quadrata, su un suo lato, e disegnate il suo contorno quadrangolare. Ritagliate questa figura nel cartoncino in modo che la bobina possa entrarvi e fermarsi a metà del suo spessore. Mettete sotto il cartoncino uno spessore che lo sostenga e sistemate i fili di connessione tra la bobina e le 3 pile in serie. Chiudete il circuito in modo che nella bobina passi corrente e spargete la limatura di ferro sul cartoncino battendo leggermente sul bordo. (vedi figura 3).

Ampère ha considerato una bobina equivalente ad un magnete lineare, Faraday notava invece delle differenze. 
Quali differenze si possono notare? 

Le linee di forza che si creano sono simili a quelle ottenute con il magnete lineare: il campo magnetico interno alla bobina è uniforme, all’esterno è concentrato ai poli mentre è molto meno intensa l’azione ai fianchi della bobina rispetto alla sbarretta magnetica.

Osservando le linee di forza di magneti e correnti quali analogie e differenze si possono notare tra le linee di forza di un campo elettrico e quelle di un campo magnetico?

A tutti gli effetti una corrente elettrica genera un campo magnetico (visualizzato dalla disposizione della limatura di ferro).

L’elettromagnete

Rimuovete il cartoncino e togliete la limatura di ferro. Inserite nella bobina quadrata una sbarretta di ferro dolce, e inserite nuovamente il cartoncino appoggiandolo sulla sbarretta di ferro che sporge dalla bobina. Fate passare corrente nella bobina e cospargete il cartoncino intorno alla bobina con la limatura di ferro. La limatura di ferro risulta molto più addensata mettendo in evidenza un campo magnetico decisamente maggiore.
Si può quindi amplificare l’azione magnetica di una corrente sfruttando le proprietà dei materiali ferromagnetici.  Si ottiene in questo modo  un magnete che si aziona “a comando”: l’elettromagnete.

Togliete il cartoncino con la limatura di ferro dalla bobina e  appoggiate su un pezzetto di cartone una piccola quantità di chiodini avvicinandoli alla sbarretta di ferro che sporge dalla bobina. Quando fate passare corrente nella bobina i chiodini si attaccano al ferro della sbarretta e restano sospesi senza bisogno di appoggio (figura 5 e 6).

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 Magnete a U, bobina quadrata, sbarra di ferro dolce, sbarre magnetiche, limatura di ferro, fogli di cartoncino, batterie, cavi elettrici 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 Magnetostatica Linee di campo Elettromagnete