Solenoidi
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REALIZZAZIONE DEL SOLENOIDE
Quando si avvolge un solenoide attorno ad un nucleo di ferro dolce, questo si trova immerso nel campo generato dalla corrente che percorre il solenoide e si magnetizza per induzione, assumendo sempre polarità concordi con quelle del solenoide magnetizzante; si forma così un campo risultante unico, nel quale si sommano le azioni magnetiche proprie del solenoide e quelle del nucleo magnetizzato. Si esprime questo fenomeno dicendo anche che il ferro rinforza le azioni magnetiche del solenoide. Si ottengono così gli elettromagneti, di diversa potenza, nei quali il campo permane finché permane la corrente magnetizzante e si estingue quasi con essa. Infatti, il campo magnetico nel ferro si esaurisce con un certo ritardo. Se invece il nucleo introdotto nel solenoide è di acciaio, questo ritardo è assai maggiore.
Fig. 7 - Simbolo elettrico, adottato nella composizione circuitale degli schemi teorici, di un comune elettromagnete, denominato pure elettrocalamita.
Il simbolo elettrico dell'elettromagnete, normalmente adottato nella composizione degli schemi teorici, è quello riportato in figura 7, mentre una delle possibili espressioni pratiche dell'elettromagnete può essere quella riportata in D di figura 8.
Fig. 8 - Fasi costruttive del piccolo elettromagnete necessario per condurre alcuni pratici esperimenti descritti nel testo. La vite di ferro dolce (A) deve essere ricoperta, nel suo gambo, con alcuni strati di carta o nastro adesivo. Su questi si compone poi il primo solenoide (B), mediante filo di rame smaltato del diametro di 0,5 mm. Quindi si copre il primo avvolgimento con nastro adesivo (C) e, con lo stesso sistema, si compongono altri due o tre solenoidi (D).
In questa stessa figura, inoltre, sono interpretate le fasi successive che conducono alla realizzazione di un solenoide con nucleo di ferro dolce, cioè di un elettromagnete, con il quale è possibile condurre l'esperimento illustrato in figura 9. Ma cominciamo con la descrizione del montaggio del componente.
Su una vite di ferro dolce, diametro 7 = 8 mm, serie MA, lunga 4 cm, si avvolgono, come indicato in A di figura 8, alcuni strati di nastro adesivo, con lo scopo di rendere liscio il gambo della vite e far scomparire la filettatura. Quindi si avvolgono tante spire compatte di filo di rame smaltato, del diametro di 0,5 mm, in modo da coprire interamente il gambo della vite (figura 8B). Poi si ricopre il primo strato di spire con del nastro adesivo (figura 8 C) e si ripetono le stesse operazioni per tre strati successivi, fino a comporre l'elemento riportato in figura 8D.
I terminali dell'elettromagnete dovranno essere raschiati tramite la lama di un temperino o una lametta da barba, in modo da eliminare lo smalto isolante e favorire le saldature a stagno, necessarie per comporre il circuito sperimentale di figura 9. Il quale riflette in parte quello di figura 5, ma questa volta con risultati più appariscenti, perché il campo elettromagnetico generato dal passaggio della corrente attraverso l'elettromagnete EM è in questo caso molto più intenso.
Nel corso dell'esperimento proposto in figura 9, per il quale la bussola va posta sopra un tavolo, ad una distanza di 5 cm circa dall'elettromagnete, sarà interessante invertire i collegamenti di EM e notare come l'ago della bussola, essendo ora invertite le polarità dell'elettrocalamita, ruoti in senso inverso.
Fig. 9 - La deviazione dell'ago magnetico della bussola, che si manifesta ogni volta che si preme il pulsante P, dimostra la presenza del campo elettromagnetico generato dall'elettromagnete EM.
Un altro interessante esercizio potrà essere quello di avvicinare ad EM alcuni piccoli chiodi o frammenti di ferro ed osservare come questi vengano attratti dall'elettromagnete ogni volta che si preme il pulsante P.
Ovviamente, gli esperimenti fin qui suggeriti vanno eseguiti celermente, altrimenti la pila da 1,5 V, di tipo a torcia, 'si scarica rapidamente.
INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Si designa col nome di induzione elettromagnetica il fenomeno della produzione di una tensione elettrica per mezzo di un campo magnetico, il quale si manifesta facendo variare, in un modo qualunque, il numero o l'intensità delle linee di forza magnetiche abbracciate da un qualsiasi circuito elettrico immerso nel campo.
Questo campo viene chiamato CAMPO INDUTTORE ed il circuito che vi è immerso CIRCUITO INDOTTO. La tensione che si genera in tale circuito, quando varia il numero o l'intensità delle linee di forza che esso abbraccia, costituisce la TENSIONE INDOTTA.
Il fenomeno della tensione indotta o, più generalmente, quello dell'induzione elettromagnetica, si pone chiaramente in rilievo tramite un semplice esperimento, quello illustrato in figura 10.
Fig. 10 - Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica si manifesta ogni volta che si verificano dei movimenti meccanici del corpo inducente o di quello indotto. In questo esempio, il corpo inducente è rappresentato da un magnete permanente, che viene spostato verso l'alto e verso il basso, mentre l'indotto è costituito dall'elettromagnete EM. Il voltmetro segnala la presenza della tensione indotta.
Per la realizzazione di questo esperimento, sono necessari un magnete permanente (calamita), un solenoide EM, che può essere quello descritto in precedenza e riportato in figura 8 ed uno strumento di misura della tensione elettrica, ossia un voltmetro.
Dopo aver composto l'insieme di elementi di figura 10 si può osservare quanto segue: finché il magnete ed il solenoide, pur essendo vicini fra loro, rimangono fermi, il voltmetro non offre alcuna indicazione di manifestazioni elettriche, cioè dell'insorgenza di una tensione elettrica. Invece, avvicinando il magnete al solenoide, oppure spostandolo verso l'alto o verso il basso, come indicato dalle frecce di figura 10, l'indice del voltmetro devia lungo la scala di misura, segnalando la presenza della tensione indotta.
Con i movimenti meccanici del magnete ora menzionati, non si è fatto altro che variare il numero di linee di forza magnetiche concatenate con il solenoide. E questa variazione può essere compiuta in modo lento o veloce.
Con l'esperimento di figura 10 è possibile dimostrare un altro importante fenomeno. Ossia tenere fermo il magnete permanente e muovere l'elettromagnete EM. Ebbene, anche in questo caso l'indice del voltmetro devia dalla sua posizione di riposo, segnalando la presenza di una tensione indotta.
Dunque, la tensione elettrica indotta, segnalata dal voltmetro, sussiste finché uno dei due elementi che partecipano all'esperimento, il solenoide o il magnete, si muove.
Non appena il movimento cessa, anche la tensione indotta scompare e l'indice dello strumento ritorna sul valore zero.
L'esperimento in esame mette in evidenza un altro fatto importante. Si è parlato di avvicinamento del magnete al solenoide o del solenoide al magnete. Ma l'insorgere della tensione indotta si verifica pure quando i due elementi che partecipano all'esperimento vengono allontanati tra loro. In questo caso la tensione indotta è di verso contrario a quella segnalata nella prima fase dell'esperimento. E ciò spiega pure perché nello schema di figura 10 si è fatto uso di un voltmetro di tipo a zero centrale, che consente al suo indice di spostarsi sia a destra che a sinistra.
Sperimentando in diversi altri modi, cioè spostando comunque tra di loro i due elementi, si trova che il fenomeno dell'induzione elettromagnetica si produce sempre e soltanto quando il circuito indotto viene a tagliare le linee di forza del campo magnetico induttore in modo tale che, per effetto dello spostamento, venga a variare il numero delle linee di forza magnetiche abbracciate dal circuito.
Nel nostro esempio, i due elementi che concorrono al fenomeno dell'induzione elettromagnetica sono rappresentati da un magnete permanente e da un'elettrocalamita. Ma il fenomeno dell'induzione elettromagnetica si manifesta pure se il magnete permanente viene sostituito con un secondo elettromagnete e se l'indotto (elettrocalamita) viene sostituito con un conduttore qualsiasi, anche con una semplice sbarretta metallica rettilinea. Ma affinché il fenomeno dell'induzione elettromagnetica si manifesti, è necessario che esista sempre un corpo inducente, di qualunque tipo, che sia in grado di generare un campo magnetico od elettromagnetico, ed è pure necessario che esista un circuito elettrico indotto, sia esso chiuso oppure aperto. Tuttavia, l'esistenza dei due elementi, induttore ed indotto, non è sufficiente per la produzione delle tensioni e, conseguentemente, delle correnti indotte. Dato che si rende sempre necessario che il circuito indotto tagli le linee di forza magnetiche prodotte dal corpo inducente. Dunque occorre un movimento meccanico di uno dei due elementi rispetto all'altro. E su questo principio si basa il funzionamento dei motori elettrici di tutti i tipi, così come quello degli alternatori che producono l'energia elettrica.
Fonte: http://vgg.labcad.di.unimi.it/cbus/webscu/2005/Hensemberger_IUM/materiale/elettrotecnica/4/solenoide.doc
Sito web da visitare: http://vgg.labcad.di.unimi.it/cbus/
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