Elettromagnete tipo Ruhmkorff, Off. Galileo. Seconda parte.
Nell’inventario D del 1956 al n° 4458 si legge: “Banco di Ruhmkorff”, registrato il 30/12/1968.
L’elettromagnete permette di analizzare qualitativamente in maniera rapida le proprietà magnetiche dei materiali solidi semplicemente sospendendone un campione tra le espansioni polari e facendo passare corrente nelle bobine onde ottenere un campo magnetico intenso e fortemente disuniforme. Come si vede nelle foto, in dotazione vi sono numerosi oggetti di sostanze e fogge diverse: tra di essi particolare rilevanza riveste il bismuto visibile nella foto.
Nel condurre le prove bisogna trascurare gli effetti iniziali nei conduttori perché il loro comportamento è dovuto alle correnti indotte causate dalla variazione del campo magnetico; quando l’oggetto sospeso non oscilla più e si orienta a seconda delle sue caratteristiche fisiche, se ne può valutare la natura.
Le prime osservazioni nel merito sono dovute a M. Faraday (1791 – 1867) e hanno permesso di classificare in prima istanza le sostanze in paramagnetiche, diamagnetiche e ferromagnetiche; in particolare nel 1846 scoprì che una barretta di bismuto avvicinata al polo di un potente elettromagnete (e quindi soggetta a un forte gradiente di intensità magnetica) viene respinta; il nome diamagnetismo si deve a Faraday.
Negli anni successivi fino ai nostri giorni si sono scoperti il ferrimagnetismo e l’antiferromagnetismo.
Premesso che le caratteristiche dei materiali dipendono fortemente da impurezze, dai trattamenti subiti e dalla temperatura, diamo subito qualche definizione del loro comportamento.
Le sostanze paramagnetiche si allineano debolmente alle “linee di campo” e quindi le barrette si dispongono in modo assiale e sono attratte dalla regione a più forte campo magnetico; elenchiamo l’alluminio, il platino, l’uranio, l’aria ecc..
Le sostanze diamagnetiche sono debolmente respinte, si comportano in modo opposto alle precedenti e si dispongono normalmente alle “linee di campo”; elenchiamo il bismuto, l’antimonio, il rame, il fosforo giallo, il piombo, l’acqua, ecc. .
Le sostanze ferromagnetiche si allineano fortemente alle “linee di campo” e quindi le barrette si dispongono in modo assiale. Il loro elenco è lungo e interessante per le svariate applicazioni tecnologiche; citiamo qui soltanto il ferro, il cobalto, il nichel, il gadolinio e il disprosio con le loro leghe.
Siccome le prove si fanno nell’aria che è paramagnetica, ciò che si osserva in realtà è dovuto alla differenza tra la proprietà intrinseca del corpo e quella dell’aria stessa.
Abbiamo messo “linee di campo” tra virgolette perché le spiegazioni dei suddetti comportamenti, date in fisica classica, sono approssimative e insufficienti.
Per averne una visione più soddisfacente bisogna ricorrere alla ben più complessa meccanica quantistica.
L’elettromagnete permette di eseguire esperimenti sull’induzione elettromagnetica e in particolare sulla legge di Lenz, usando gli accessori visibili nelle foto e nelle figure.
Numerose sono le esperienze eseguibili sulle correnti parassite (dette di Foucault o Eddy currents) le quali provocano forze che si oppongono al moto che le genera. Ad esempio se si fa cadere una moneta di rame (o di materiale conduttore) tra le espansioni polari quando l’elettromagnete è eccitato, si osserva che la moneta rallenta vistosamente la sua caduta nella zona in cui il campo magnetico è intenso.
Oppure si fa oscillare o ruotare un cubo di rame (o uno dei dischi visibili nelle foto) appeso al filo, sempre tra le espansioni polari: non appena sorge il campo magnetico l’oggetto rallenta.
Più istruttivo è il confronto tra il comportamento del disco di alluminio riconoscibile per i due settori rossi e quello che presenta i tagli radiali: il primo, una volta messo in rotazione rallenta e si ferma rapidamente per effetto delle correnti parassite indotte; mentre nel secondo le correnti indotte sono confinate nei settori delimitati dai tagli e i loro effetti si annullano vicendevolmente, dunque il disco continua a ruotare.
Inoltre ruotando manualmente con delicatezza il disco pieno si sente una sorta di resistenza, come se esso si muovesse in un mezzo viscoso; la cosa non accade col disco a tagli radiali.
Da un punto di vista didattico ciò è utile per spiegare la necessità di costruire i circuiti magnetici dei trasformatori con lamierini. Se si insiste nel far ruotare il disco pieno si nota che esso si riscalda, mostrando che il lavoro fatto, per effetto Joule delle correnti si trasforma in calore.
Per mostrare l’induzione elettromagnetica si può ricorrere alla bobina con poche spire circolari che terminano con due contatti, visibile sia nella figura sia nella foto.
Collegato un milliamperometro, protetto eventualmente da una resistenza in serie, ai due contatti, si osserva la corrente indotta non appena la bobina viene mossa. Meglio ancora se la si collega ad un oscilloscopio.
Viceversa, se la bobina viene alimentata da una corrente continua di valore adeguato, si osserva l’interazione tra il suo campo magnetico e quello dell’elettromagnete: la bobina viene respinta da un polo e attratta dall’altro. Se si inverte la corrente, si inverte il suo comportamento, così come accade se si inverte la corrente nei rocchetti dell’elettromagnete.
Se la bobina viene alimentata in corrente alternata (ad esempio a 50 Hz), toccandola si avverte una vibrazione.
Un altro esperimento significativo consiste nel disporre tra i poli un filo rettilineo la cui estremità superiore può ruotare intorno ad un perno e quella inferiore pesca sul mercurio contenuto in una vaschetta: per la descrizione del fenomeno si rimanda alla scheda: “Un accessorio del banco di Ampere”.
Tra gli accessori si trova anche la Ruota di Barlow inventata nel 1822 (P. Barlow 1791 – 1867): un disco di rame girevole intorno al proprio asse e la cui periferia pesca nel mercurio contenuto nella vaschetta. I morsetti comunicano rispettivamente con l’asse del disco e con il mercurio (vedere sempre la foto e la figura). Si deve fare in modo che il piano del disco deve essere normale al campo magnetico. Ora si alimenti l’apparecchio in corrente continua e si vedrà il disco porsi in rotazione.
E ancora, per effetto dell’induzione elettromagnetica, se si usa la Ruota di Barlow collegando un milliamperometro ai contatti e facendola ruotare manualmente, si misura una corrente indotta: in questo caso storicamente la ruota prende il nome di Disco di Faraday (1831).
Tra le altre esperienze eseguibili con l’elettromagnete, usando le espansioni a testa semiarrotondata, si possono visualizzare le “linee di campo” appoggiando una lastra di plexiglas sulle espansioni opportunamente distanziate, versando uniformemente un po’ di limatura di ferro sul plexiglass e percuotendo leggermente e ripetutamente il bordo della lastra. Si inizi la prova con un campo di intensità minima, altrimenti la polvere di ferro vola via verso le espansioni polari. La limatura di ferro è nell scatolina visibile nella foto, insieme ad altri oggetti. Le “linee di campo” sono una visualizzazione utile didatticamente, derivata proprio dalle osservazioni di questo tipo.
I liquidi, come i solidi, risentono degli effetti del campo magnetico come si vede nelle figure.
Un liquido introdotto in un tubicino di vetro a pareti sottili, se paramagnetico si dirige in modo assiale (come le barrette di metallo); se diamagnetico in direzione perpendicolare alle “linee di campo”. Si ricordi che l’aria è paramagnetica e il vetro diamagnetico e dunque il comportamento dei liquidi risente del materiale nei quali sono immersi, esattamente come accade per i solidi. Se si dispone una goccia di mercurio oppure una goccia di una soluzione di cloruro di ferro su un vetrino leggermente incavato, si possono osservare le contrazioni delle loro superfici quando si eccitano e si diseccitano in successione i rocchetti dell’elettromagnete.
Il diamagnetismo della fiamma è al pari osservabile accendendo una candela posta sempre tra i poli: vista di fronte la fiamma pare abbassarsi, vista dall’alto invece si piega perpendicolarmente alle “linee del campo”.
Il tubo ad U, visibile sia nella foto che nella figura, serve invece per mostrare gli effetti del potere succhiante del campo magnetico su di un liquido. Tale fenomeno determina un dislivello tra i due rami, quando uno di essi è posto tra le espansioni polari: la pressione idrostatica dovuta al dislivello equilibra l’intensità del succhiamento. Per i liquidi in esame comunque il dislivello è tanto piccolo che occorre un catetometro per misurarlo. Esso va da frazioni di mm per l’acqua fino a qualche mm per il cloruro ferrico in soluzione acquosa.
Le figure 729, 730, 731, 732 sono a pag. 805 e a pag. 806 del testo
Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied translated and edited from Ganot’s Éléments de Physique by E. Atkinsons, New York, William Wood and Co. 1875.
Rinvenibile al sito:
archive.org/details/elementreatisephys00ganorich
Dal dicembre del 2012 il dott. Paolo Brenni (per la Fondazione Scienza e Tecnica) ha pubblicato su youtube una serie di video nei quali magistralmente mostra molti degli esperimenti descritti in queste due schede, insieme ad altri esperimenti di fisica molto interessanti. www.youtube.com/user/florencefst .
Bibliografia.
L. Graetz, L’elettricità e le sue applicazioni, F. Vallardi, Milano 1907, da cui sono tratte le figure 346, 347 e 352.
R. P. Feynman, R. B. Leighton e M. Sands, The Feynman Lectures on Phisics, Vol. II, H. Addison – Wesley, P. C. Massachusetts, 1964.
M. Fazio e M. C. Montano, Una nuova fisica, Morano, Napoli 1984. B. Dessau, Manuale di Fisica, Vol. III, S.E.L., Milano 1935.
Istruzioni delle Officine Galileo Firenze n° 110800 da cui sono tratte le altre figure.
B. Dessau, Manuale di Fisica, Vol. III, S.E.L., Milano 1935.
Per consultare la prima parte scrivere: “Elettromagnete” su Cerca.
Foto di Federico Balilli, elaborazioni, ricerche e testo di Fabio Panfili.
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