Riassunto / Abstract

Mediante materiale facilmente reperibile, si realizza un sistema (il “trenino”) che sfrutta l’interazione tra la corrente e il campo magnetico per compiere un moto traslatorio.

Scheda sintetica delle attività

Assemblaggio del “trenino”, avvolgimento del solenoide di filo di rame nudo, osservazione del moto e sua interpretazione.

Risorse necessarie

• n.1 pila AA (1.5 V);
• n. 2 magneti cilindrici al neodimio di diametro di 15 mm o superiore, altezza 6 mm o superiore;
• 5 m filo di rame nudo (è possibile reperire rocchetti di 50 m per una dimostrazione da cattedra, ma in questo caso il tempo necessario per avvolgere il solenoide è di almeno un’ora);
• manico di scopa o tubo di PVC per avvolgere il solenoide.

Prerequisiti necessari

• Conoscere le polarità dei magneti e l’uso di un ago magnetico per distinguerle;
• conoscere l’interazione corrente-campo magnetico;
• conoscere il III principio della dinamica.

Obiettivi di apprendimento

• Saper descrivere correttamente gli effetti dovuti all’interazione corrente-campo magnetico;
• saper utilizzare e riconoscere l’importanza della III legge della dinamica, per spiegare il moto del trenino.

Dotazioni di sicurezza

Non sono necessarie dotazioni di sicurezza, salvo qualche precauzione nel maneggiare i magneti al neodimio, la cui forza di attrazione reciproca può causare qualche piccolo e doloroso incidente per lo schiacciamento delle punte delle dita o di lembi di pelle. Per facilitare l’utilizzo dei magneti e in particolare il distacco, è possibile conservarli e consegnargli agli studenti separati dai dischi di plastica con i quali vengono venduti.

Svolgimento

Si applicano ai poli della pila i due magneti al neodimio con polarità contrapposte (i poli Nord o i poli Sud rivolti l’uno verso l’altro).
Si realizza con il filo di rame nudo un solenoide, arrotolando il filo attorno un manico di scopa o un tubo di PVC per impianti elettrici.

Si inserisce il “trenino” nel solenoide (fig.1) e si osserva che esso è sottoposto ad una forza che lo accelera nel verso in cui è stato inserito oppure nel verso opposto (respingendolo al di fuori). È facile notare che la forza è presente solo quando entrambi i magneti sono in contatto con il filo del solenoide e cessa quando uno dei due non lo è più. Infatti è necessario che due punti del filo siano a contatto con i due poli della pila affinché scorra corrente nel solenoide. Quando questo accade, i magneti risentono del campo magnetico che si genere all’interno del solenoide.

Quando entrambi i magneti sono a contatto con il filo, sul trenino agisce una forza dovuta alla interazione tra la corrente che scorre nel solenoide e il campo magnetico generato dai magneti al neodimio, le cui linee di forza sono qualitativamente illustrate in figura 2.

In ogni punto dello spazio il campo magnetico totale è la somma dei campi generati dei due magneti; osserviamo inoltre che sul piano mediano (retta tratteggiata in figura) i due campi magnetici (vettori in rosso nella figura)  sono inclinati in modo simmetrico rispetto al piano; ne risulta che la loro risultante è radiale e diretta verso l’asse dei due magneti. Nel caso si fronteggiassero i due poli Nord, il campo risulterebbe sempre radiale, ma diretto verso l’esterno dell’asse.

In figura 3 viene illustrato il principio di funzionamento del trenino: come su detto al centro della pila il campo è diretto perpendicolarmente all’asse di simmetria della pila stessa ed è diretto verso l’asse della pila, poiché abbiamo disposto i poli Sud contrapposti. Nella porzione di spira al di sotto del trenino, la corrente è entrante nel piano della figura; applicando la legge dell’interazione corrente-campo magnetico (“regola della mano destra”), si trova una forza applicata sul conduttore diretta verso destra; analogamente, sulla porzione di spira al di sopra del trenino (dove la corrente è uscente dal piano) si ottiene una forza concorde alla precedente: la spira è quindi sollecitata verso destra.

Un discorso analogo vale per tutte le altre spire che formano il solenoide e che si trovano tra i due magneti, anche se per esse la rappresentazione delle forze in gioco è più complessa; su di esse infatti il campo magnetico non è radiale ma presenta anche una componente assiale. Non è difficile comprendere che la componente radiale del campo dà origine ad una forza assiale, come avviene per la spira centrale; viceversa la componente assiale del campo dà luogo su ogni archetto di spira ad una forza radiale e diretta verso il centro della spira.  La risultante di questa componente, che si ottiene sommando la forza agente su tutti gli archetti in cui possiamo scomporre la spira, risulta evidentemente nulla.

Concludiamo così che la risultante di tutte le forze agenti sulle spire è diretta verso destra ed è applicata al solenoide; la forza responsabile del moto del trenino è la forza di reazione applicata dal solenoide sulla pila dovuta al principio di azione e reazione di Newton.

Se si ha a disposizione un rocchetto di filo da 50 m è possibile realizzare un solenoide molto lungo; ripiegandolo su stesso a formare un “tunnel”  il trenino può continuare a muoversi al suo interno fino ad esaurimento della batteria (si vedano i video segnalati in bibliografia).

Note e storia

L’osservazione del moto e l’analisi delle grandezze fisiche in gioco, consentono di sottolineare che la forza di interazione corrente-magnete è applicata sul filo conduttore (il solenoide nel nostro caso), ma c’è un’altra forza che completa la coppia azione-reazione (quella che agisce sulla pila); si ritrova proficuamente nel contesto dell’elettromagnetismo un concetto (la coppia azione-reazione) che si è affrontato nell’ambito della meccanica.

Bibliografia

• Il seguente video descrive l’esperimento da 3:40 a 5:45: https://www.youtube.com/watch?v=j3SvEmefNa8;
• Una dimostrazione pratica, con spiegazione grafica dei versi dei campi magnetici e delle correnti in gioco, si trova in questo video (in lingua inglese, ma molto semplice e con sottotitoli in italiano): https://www.youtube.com/watch?v=9k7zywli4Vg

Autori

Guidi Giorgio

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 Batteria, due magneti cilindrici al neodimio, filo di rame, tubo di PVC Durata esperimento in classe 1 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Elettromagnetismo Induzione elettromagnetica Solenoide Magneti permanenti