Introduzione
L’uso di elettromagneti
Un elettromagnete è un magnete che lavora con l’elettricità. Può essere attivato e disattivato. Le bobine sono quasi sempre fatte di filo di rame perché è un ottimo conduttore elettrico (cfr. proprietà di conduzione).
Gli elettromagneti hanno molteplici usi. Ne riportiamo alcuni esempi.
• Un campanello elettrico: gli elettromagneti fanno vibrare il martello in avanti e indietro, suonando il campanello.
• Una serratura elettrica: una volta risposto al citofono, il portone può essere aperto dall’alto. Un elettromagnete apre il bullone. Spegnendolo le molle del bullone tornano indietro.
• Una gru: una gru può sollevare un’auto. Portatela in posizione e spegnete per lasciare andare.
• Uno strumento da chirurgo: un oculista può rimuovere frammenti di acciaio dall’occhio di un paziente usando un elettromagnete. Accendere la corrente fin quando tira delicatamente per rimuovere il metallo.
In questa sezione, esamineremo come agiscono gli elettromagneti e come possono diventare efficienti.
Campi Magnetici
Un magnete attira alcuni metalli come il ferro. Diciamo, infatti, che questi metalli sono magnetici. Possiamo anche ricavare un magnete dal ferro dolce. Questo avrà due poli: un polo nord e un polo sud.
Che cosa fanno i poli?
Se avviciniamo il polo nord di una barra magnetica al polo sud di un’altra, queste si attireranno.
Quindi:
I poli opposti si attraggono.
Se avviciniamo invece un polo nord ad un altro polo nord, questi si respingeranno. Diciamo che si respingono. Lo stesso accadrà con i due poli sud.
Quindi:
i poli uguali si respingono.
Che cos’è un campo magnetico?
Un magnete non deve toccarne un altro per attirarlo o respingerlo. La forza viene sprigionata dal magnete. Si tratta di una forza invisibile che lavora a distanza. Diciamo che esiste un campo magnetico intorno al magnete. Il campo magnetico è l’area in cui agisce la forza magnetica.
Il campo magnetico è invisibile. Dobbiamo usare alcuni trucchi per vederne la forma.
Come possiamo vedere il campo magnetico?
Potete vedere la forma di un campo magnetico utilizzando limatura di ferro:
• mettete un pezzetto di cartone sul magnete
• cospargete delicatamente la limatura di ferro sul cartone
• battete sul carboncino in modo che la limatura di ferro si allinei con il campo magnetico.
• guardate il disegno formato dalla limatura di ferro
In quale direzione va il campo magnetico?
La limatura di ferro ci dice la forma del campo magnetico. ma è anche utile per sapere in quale direzione va il campo magnetico: ad es. attrarrà o respingerà il polo nord di un altro magnete.
Possiamo scoprirlo utilizzando un piccolo compasso. La punta stessa del compasso è un piccolo magnete. La sua freccia è un polo nord. Per cui il compasso si dirige lontano dal polo nord del magnete.
Linee del campo magnetico
Possiamo mostrarlo su un diagramma di un campo magnetico utilizzando le linee del campo. Notate che le linee del campo magnetico
• si dirigono lontano dal polo nord e
• puntano verso il polo sud e
• non si attraversano mai
• fuoriescono solo dalle estremità del magnete,
• sono vicine dove il campo è più forte, ad es. vicino ai poli.
Le frecce delle linee del campo ci dicono perché si sposterebbe un altro polo nord. Un polo sud sarebbe attirato nella direzione opposta delle frecce.
Solenoidi
Un elettromagnete è una bobina di fili attraversata da una corrente elettrica.
Quando il filo è avvolta intorno ad un cilindro, abbiamo un solenoide che diventa un elettromagnete quando la corrente attraversa lo stesso.
Perché utilizzare rame?
Il rame viene usato perché presenta una bassa resistenza elettrica (cfr. proprietà di conduzione). Ciò significa che la corrente lo attraversa facilmente. Inoltre, il filo di rame è facilmente sagomabile per formare una bobina.
Com’è il campo?
Quando la corrente attraversa il filo, trasforma la bobina in un magnete detto elettromagnete. Il campo dell’elettromagnete è simile al campo di una barra magnetica. La bobina ha un polo nord in un’estremità e un polo sud nell’altra.
Non dimenticate, che le linee di forza fuoriescono dal polo nord per andare verso il polo sud.
Come ricordare il campo
Quando la corrente attraversa il solenoide, questo diventa un elettromagnete. Per cui un’estremità è un polo nord e l’altra è un polo sud. Vi è un piccolo accorgimento per ricordare quale estremità diventa un polo nord o sud.
Si tratta di vedere se la lettera S o N si dirige nella stessa direzione della corrente.
Se guardiamo un’estremità della bobina, la corrente va in senso antiorario. In questo caso, mettendo la lettera N questa si dirigerà nella stessa direzione della corrente. La lettera S non lo farà. Questo è quindi il polo nord.
Se guardiamo l’altra estremità, la corrente va in senso orario. In questo caso possiamo mettere una lettera S. Si tratta del polo sud.
Uso degli elettromagneti
Un uso tipico di un elettromagnete è il sistema di entrata di un palazzo. Chi abita al quarto piano non vuol scendere ad aprire. Usa così un interruttore che aziona un elettromagnete nella serratura. Premendo l’interruttore, la bobina di filo di rame diventa un elettromagnete. Attrae l’armatura e ritrae la serratura. La porta si apre.
Renderli più Forti
Possiamo rafforzare gli elettromagneti in molteplici modi. Eccone alcuni:
• aumentare il flusso di corrente
• usare più giri di filo di rame
• inserire un nucleo di ferro dolce.
Esaminiamo le varie possibilità.
Aumentare la corrente
Una corrente più forte renderà il magnete più forte. Esiste tuttavia un limite di flusso della corrente nei fili prima che diventi troppo calda. Inoltre, una corrente maggiore implica anche un maggiore spreco di energia (come calore) nella bobina e nei fili di connessione. Per cui, è talvolta meglio aumentare la forza aggiungendo più giri invece di aumentare la corrente.
Più giri
Immaginate di avere un elettromagnete realizzato con un solo giro di filo. Aggiungete quindi un altro giro. È come se si mettesse un altro elettromagnete vicino al primo. In questo modo la forza del magnete aumenta. Più giri si aggiungono, più forte diventerà il magnete.
Nucleo di ferro
Il ferro è un materiale magnetico. Vi sono particelle magnetiche nel ferro. Nel ferro dolce, queste particelle si allineeranno con il campo magnetico. In questo modo, il nucleo del ferro dolce si comporta come un vero e proprio magnete. Un volta eliminato il campo esterno, il nucleo ritornerà normale.
Immaginate di mettere un pezzo di ferro dolce al centro di una bobina di filo di rame. Attivando la corrente, la bobina diventa un elettromagnete. Ma anche il nucleo di ferro dolce diventa un magnete aggiungendosi alla forza dell’elettromagnete.
L’effetto del nucleo di ferro dolce è decisamente più incisivo di quello dato dal raddoppio di corrente o dal numero di giri.
