Fisica – Elettromagneti

Fisica – Elettromagneti (11-14 anni)

1. Introduzione

Utilizzazione degli elettromagneti

Un elettromagnete è un magnete che sfrutta l’elettricità. Può quindi essere attivato e disattivato. Le sue spire sono quasi sempre realizzate in filo di rame in ragione della sua eccellente conduttività elettrica.
Gli elettromagneti hanno svariati utilizzi. Ecco alcuni esempi.

Campanello elettrico
: gli elettromagneti azionano un martelletto ponendolo in vibrazione e facendo quindi suonare il campanello.
Serratura elettrica: dopo aver risposto al citofono, la porta può essere sbloccata a distanza. Un elettromagnete aziona il chiavistello.
Gru: una gru da demolizione è in grado di sollevare un’intera autovettura sfruttando il campo magnetico generato da un grosso elettromagnete. E’ sufficiente portarla in posizione e disattivare il magnete per far cadere l’autovettura.
Strumento chirurgico: è possibile estrarre frammenti di acciaio dall’occhio di un paziente utilizzando un elettromagnete. A questo scopo viene fatta circolare in un elettromagnete una corrente di intensità sufficiente a rimuovere delicatamente il corpo metallico.

In questa sezione scopriremo come funzionano gli elettromagneti e come possono essere resi più efficienti.

2. Campi magnetici

Il magnete attira alcuni metalli, ad esempio il ferro. Possiamo quindi definire questi metalli ferromagnetici. E’ possibile realizzare un magnete anche a partire da ferro dolce. Questo magnete avrà due poli – un polo nord ed un polo sud.

Come si comportano i poli di un magnete?

Se si avvicina il polo nord (N) di una calamita al polo sud (S) di un’altra, le due calamite si attraggono.
Due poli opposti si attraggono.

Se avviciniamo il polo nord di un elettromagnete ad un altro polo nord, essi si respingono.
Due poli uguali si respingono

Che cos’è un campo magnetico?

Un magnete non deve necessariamente toccare un altro magnete per attrarlo o respingerlo. La forza generata dal magnete, infatti, si propaga al suo esterno. Si tratta di una forza invisibile che agisce a distanza. Si può pertanto affermare che è presente un campo magnetico intorno al magnete. Il campo magnetico fornisce informazioni relativamente alla forza di attrazione del magnete in ogni punto dello spazio in cui è collocato.
Il campo magnetico è invisibile. Dobbiamo utilizzare alcuni trucchi per individuarne la forma.

Come è possibile evidenziare la presenza di un campo magnetico?

Possiamo vedere la forma del campo magnetico utilizzando della limatura di ferro:

  1. Si colloca un pezzo di cartone sul magnete.
  2. Si distribuisce delicatamente della limatura di ferro sul cartone.
  3. Si picchietta il cartone in modo tale che la limatura di ferro si allinei con il campo magnetico.
  4. Si esamina la forma creata dalla limatura di ferro.

Come è possibile evidenziare la presenza di un campo magnetico?

La limatura di ferro indica la forma del campo magnetico. Tuttavia è utile conoscere anche la direzione di un campo magnetico – vale a dire se attrarrà o respingerà un polo nord di un altro magnete.

A tale scopo possiamo utilizzare una piccola bussola. L’ago della bussola è di per sé un piccolo magnete. La sua freccia è un polo nord. La bussola quindi punterà in direzione opposta al polo nord del magnete.

Le linee del campo magnetico

Le linee di campo possono essere individuate su di un diagramma del campo magnetico. Si noti che le linee di un campo magnetico:

  • puntano in direzione opposta al polo nord e
  • puntano verso il polo sud senza mai incrociarsi
  • escono soltanto dall’estremità del magnete
  • sono più dense dove il campo è più intenso, ad esempio in prossimità dei poli.

Le frecce sulle linee di campo indicano in quale direzione si muoverebbe un altro polo nord. Un polo sud verrebbe attratto nella direzione opposta rispetto alle frecce.

3. Solenoidi

Un elettromagnete è costituito da una bobina di filo conduttore che può essere attraversata da una corrente elettrica.
Avvolgendo il filo intorno ad un cilindro si ottiene un solenoide. Il solenoide diventa un elettromagnete quando è attraversato da una corrente elettrica.

Perchè utilizzare il rame?

Il rame viene utilizzato in quanto presenta una bassa resistenza elettrica (vedi proprietà conduttive). Questo significa che la corrente elettrica lo attraversa facilmente. Il filo di rame può essere inoltre facilmente manipolato per ottenere una bobina.

Qual è l’aspetto del campo?

Quando la corrente elettrica attraversa il filo, trasforma la bobina in un magnete, che prende il nome di elettromagnete. Il campo prodotto dall’elettromagnete è simile al campo generato da una sbarra magnetica. La bobina presenta un polo nord ad una estremità ed un polo sud all’estremità opposta.

Come evidenziare la configurazione del campo 

Quando una corrente elettrica attraversa il solenoide nella figura 6, quest’ultimo diventa un elettromagnete. Un’estremità è identificabile come polo nord e l’altra come polo sud. Esiste un piccolo trucco per riconoscere quale estremità diventa il polo nord e quale il polo sud.

E’ sufficiente osservare in quale direzione va la corrente elettrica.

Se esaminiamo una estremità della bobina, scopriamo che la corrente avanza in senso antiorario. In questo caso possiamo inserire la lettera N, che punterà nella stessa direzione della corrente, al contrario della lettera S. Questo è il polo nord.

Se osserviamo l’altra estremità della bobina, vedremo che la corrente avanza in senso orario. In questo caso possiamo inserire una S. Questo è il polo sud.

Utilizzazione degli elettromagneti 

Una delle utilizzazioni tipiche di un elettromagnete consiste in un semplice sistema apriporta per condomini. Un inquilino del quarto piano non vuole scendere fino al piano terra per aprire la porta d’ingresso nel palazzo. Per questa ragione utilizza un interruttore che aziona un elettromagnete incorporato nella serratura. Quando l’interruttore viene premuto, la bobina di filo di rame diventa un elettromagnete, attirando l’indotto e azionando la serratura. A questo punto la porta può aprirsi.

4. Come aumentare la forza degli elettromagneti

Possiamo rendere gli elettromagneti più potenti in vari modi. Ecco alcuni di essi:

  • aumentare il flusso di corrente;
  • aumentare il numero di spire del filo di rame;
  • inserire un’anima di ferro dolce.

Consideriamo ognuno di questi casi.

Corrente più alta

L’applicazione di una corrente di maggiore intensità aumenta la forza del magnete. Esiste tuttavia un limite alla quantità di corrente che può attraversare i fili prima che questi si surriscaldino. Una corrente di maggiore intensità causa quindi un maggiore spreco di energia (sotto forma di calore) a livello della bobina e dei conduttori di collegamento. Spesso, quindi, è meglio tentare di aumentare la forza sviluppata incrementando il numero di spire invece di aumentare la corrente.

Un maggior numero di spire 

Immaginate che il vostro elettromagnete sia costituito da un’unica spira di filo. A questo punto aggiungete un’altra spira. E’ come posizionare un secondo elettromagnete accanto al primo. In questo modo la forza sviluppata dal magnete aumenta. Tanto maggiore il numero di spire quanto più potente diventerà il magnete.

Anima in ferro 

Il ferro è un materiale ferromagnetico. All’interno del ferro sono presenti particelle magnetiche. Nel ferro dolce queste particelle si allineano sotto l’azione di un campo magnetico esterno. In questo modo l’anima in ferro dolce si comporta come un magnete. Una volta rimosso il campo esterno, l’anima torna normale.

Immaginate di collocare un pezzo di ferro dolce al centro di una spira di filo di rame. Quando viene fatta circolare una corrente, la spira diventa un elettromagnete. Tuttavia anche l’anima in ferro dolce diventa un magnete. Questo aumenterà la forza dell’elettromagnete.

L’effetto dell’anima in ferro dolce è molto più forte rispetto al raddoppiamento della corrente o del numero di spire.