Il cannone elettromagnetico

Nino Martino, Giuseppe Milanesi

cercando di capire il perché di un esperimento spettacolare si possono trovare le molte diramazioni che coprono tutto l’elettromagnetismo

Normalmente, dopo aver fatto vedere un esperimento se ne dà la spiegazione. La classe è attirata dall’esperimento spettacolare. Ma quando si incomincia la spiegazione, la attenzione diminuisce rapidamente, anche perché è una spiegazione che richiede attenzione, sforzo di comprensione rispetto a qualche cosa di nuovo. Nessuno sa ancora cosa è una corrente indotta, cosa genera un campo magnetico. E se l’esperimento viene condotto in classe dopo aver fatto la teoria o parte della teoria elettromagnetica, la domanda perché avviene il fenomeno è semplicemente una ricerca tra le nozioni acquisite, trovare la nozione che più si adatta a spiegare il fenomeno. E’ ancora una volta un esperimento dimostrativo, anche se con un minimo di sorpresa e interazione in più.

Supponiamo invece di partire da zero. La classe NON ha ancora fatto alcunché della teoria elettromagnetica. Certo a casa usa la presa di corrente, l’asciugacapelli, il frigorifero, ma è un mondo già fatto, utilizzato senza alcuna comprensione. E’ possibile attraverso domande, tentativi di ipotesi, esperimenti laterali che apparentemente c’entrano poco e che invece sono lo stesso fenomeno visto in modo diverso in condizioni diverse, è possibile arrivare a una comprensione almeno qualitativa del fenomeno? E su questa comprensione qualitativa del fenomeno innestare la necessità di uno sviluppo teorico, di una descrizione formale che preveda altri esperimenti, la possibilità di costruire altri oggetti? La teoria potrebbe diventare affascinante, le formule si ancorano alla necessità di capire quantitativamente il fenomeno, non sono più formule galleggianti nel nulla da ricordare meccanicamente per risolvere problemi ed esercizi o rispondere alle interrogazioni. E probabilmente se ne conserva memoria anche … in età adulta ( più semplicemente a distanza di un anno…)

Domanda: perché l’anello di alluminio salta?

Si chiede agli studenti di formulare una ipotesi, senza paura di sbagliare. Inizialmente c’è il panico di dire cose sbagliate che possano mettere in cattiva luce – è una abitudine dura a morire.

prima ipotesi: in genere gli studenti inizialmente pensano che sotto ci sia una molla.

Verifica della ipotesi: si mette un qualunque oggetto, una gomma, una matita, ecc sul piatto. Carica al massimo. Start. Ovviamente non succede nulla. Non si tratta dunque di una molla

Si mette un anello di rame e si ripete l’esperimento. L’anello salta.

La domanda è sempre perché.

Si mette adesso un disco di plastica. Si ripete l’esperimento. Il disco non salta.

Domanda: perché il disco di plastica non salta?

Due ipotesi (quelle che sono state effettivamente fatte in questa simulazione, nella classe reale la piega del discorso può essere diversa)

1. il fatto che salti o meno dipende dal materiale
2. il fatto che salti o meno dipende dalla forma ad anello o dalla forma a disco

verifica: partiamo dalla numero 2:

si mette un disco di alluminio pieno senza il foro al centro.

Il disco salta. Si mette un disco di rame pieno e il disco salta ancora. Non dipende dalla presenza del foro. Adesso la numero 1: si mettono materiali diversi, con alcuni salta, con altri no.
Quindi dipende dal materiale. Ma rimane il problema di capire perché.

Si mette un anello di rame con un taglio, come da foto. E si pone agli studenti una domanda: cosa prevedete che succeda adesso? L’anello salterà o no? Di più o di meno?
Ipotesi: in genere viene detto che salta anche questo, o addirittura che salta di più perché è più leggero.

Verifica: l’anello non salta.

Perché non salta? Il materiale è lo stesso, la forma è la stessa con una unica differenza, il taglio. Quindi è il taglio che non permette all’anello di saltare. Come fa un taglio così sottile ad impedire che l’anello salti? Non sembra logico. Quindi il taglio impedisce che si verifica un qualche cosa che lo fa saltare. Ulteriore verifica si salda una piastrina di rame a copertura del taglio – la piastrina deve essere saldata altrimenti il salto non si verifica, non si può semplicemente appoggiarla. Adesso l’anello salta. E’ proprio il taglio a impedire il fenomeno

Si mette ora un disco pieno con dei tagli come in figura, i tagli sono disposti come archi di cerchio concentrici.

Domanda: il disco con questi tagli salterà?

Ipotesi: in genere gli studenti rispondono che ovviamente non salta – ci sono i tagli…

verifica: il disco salta. Possibile spiegazione: perché è un disco e non è un anello. Bisogna allora aver pronto un anello con dei tagli lungo la circonferenza, l’anello salta.

Adesso si pone un disco con dei tagli radiali come in figura. Domanda: salta o non salta?

Si verifica subito, rispetto alle possibili ipotesi che il disco non salta.

Dunque i tagli radiali non fanno saltare mentre tagli concentrici fanno saltare.

Uno studente reale, una cavia umana di passaggio, ha fatto una ipotesi, che molti altri in effetti fanno o possono fare, in base alle loro conoscenza di fisica del momento, e cioè che in qualche modo la bobina si carica di una carica q di un segno (elettrostatica) questo induce una carica sul disco e il risultato è che il disco salta – ipotesi comunque debole: come fa a indurre una carica di segno uguale per far sì che bobina e disco si respingano? Ma gli studenti pensano comunque a un qualche fenomeno elettrostatico perché quello che conoscono è l’elettrostatica, è un tentativo umano di spiegare una cosa nuova in base a ciò che già si conosce.

In più c’è da dire che la spiegazione elettrostatica non spiega la differenza fra tagli radiali e tagli concentrici, npn sarebbe comunque una buona ipotesi, anche in base a quello che lo studente già conosce.

La verifica è facile. Si prende la solita bacchetta di bachelite, si strofina con la solita pelle di gatto, si verifica con un elettroscopio che la bacchetta è carica, la si pone sulla bobina.

domanda: salta o non salta? Gli studenti, per coerenza, diranno che salta.

Verifica: non salta affatto. Non è un fenomeno elettrostatico, è un fenomeno completamente nuovo

In realtà la verifica va fatta per essere conveniente con lo studente che tiene in mano la bacchetta elettrizzata vicino alla bobina del egm. Dovrebbe sentire un impulso nella mano quando avviene lo start del egm. Lo studente non sente assolutamente niente, quindi l’ipotesi non è corretta.

Si prova con un filo di rame isolato avvolto in una serie di spire. Ovviamente i due capi del filo sono saldati. La saldatura è necessaria perché un semplice attorcigliamento dei capi presenta una certa resistenza ohmica che attutisce il fenomeno (La bobina con i capi non saldati, altrettanto ovviamente NON salta).

Alla domanda se salta o meno gli studenti in genere rispondono che salta. Verifica: salta. Piccola notazione: se il filo avvolto ha le estremità saldate salta, se le estremità non sono saldate NON salta. Quindi ci deve essere qualche cosa collegata al fatto che la spira per funzionare deve essere chiusa. Ma chiusa come? Se si chiude la spira semplicemente attorcigliando i capi (il filo è isolato) il fenomeno del salto non succede, i due capi devono essere proprio saldati, quindi è qualche cosa che è collegata alla possibilità di passaggio di una corrente.

Anche qua ci sono diverse possibili utilizzi del filo, che si presta bene a modificare forma e superficie delle spire e numero delle spire. E si fa vedere come entra in gioco la superficie (uno studente reale aveva detto il perimetro…) della spira. Bisogna fare attenzione al fatto che aumentando il numero delle spire aumenta anche il peso e la resistenza ohmica e questo influisce sull’altezza del salto.

(un commento a parte per chi deve fare l’esperimento: il campo magnetico al centro della bobina del emg è nullo, come si può vedere con la limatura di ferro, questo dipende da fattori costruttivi, non è proprio un solenoide lungo, quindi se il filo viene attorcigliato in spire con diametro decisamente più piccolo del diametro interno dell’avvolgimento, e se viene posto al centro della bobina, chiaramente non salta,: non c’è campo magnetico)

Si fa vedere con il solito metodo di domande, ipotesi, verifica (sempre!) che per esempio un filo piegato ad otto non salta. Oppure facendo delle spire avvolte in un senso insieme a uno stesso numero di spire avvolte in senso contrario si fa vedere con il solito metodo che non salta – e questo per molti studenti potrebbe risultare inaspettato.

Ci sono diverse possibili prosecuzioni, a seconda della classe reale, qui ne prendiamo una. In laboratorio ci sono due scatole piatte di plexiglass che contengono una miriade di aghetti mobili sul loro perno, come nella foto.

Si fa vedere come i due strumenti reagiscono in presenza del campo magnetico generato da un magnete. Indicano bene il verso e la direzione delle linee di campo. Sono dei rudimentali rivelatori di campo magnetico. Gli studenti non sanno cosa è veramente un campo magnetico, ma conoscono l’esistenza di cose chiamate magneti (da rivedere, con le basse correnti a disposizione non si vede l’effetto.

Si pongono i due oggetti in posizioni diverse sulla bobina e vicino alla bobina, come in foto. Era evidente che era la bobina che provocava qualche cosa che faceva saltare il disco o l’anello, ma che cosa? Tra l’altro rispetto alla ipotesi di uno studente reale che fosse qualche cosa che funzionasse per contatto si è fatta subito la prova facendogli tenere l’anello in mano (attenzione alla carica!), si è visto subito che si sentiva l’impulso anche a distanza. Non è un fenomeno di contatto, avviene a distanza.

Adesso facendo start gli aghetti girano impazziti in direzioni diverse (sono coerenti i versi di rotazione rispetto alle linee di campo, ma è difficile apprezzare il fenomeno).

Allora il fenomeno che poi induce il salto nell’anello è un fenomeno magnetico, viene creato un forte e improvviso campo magnetico.

Come fa a crearsi un campo magnetico? All’interno della bobina passa una forte e improvvisa corrente. E’ questa che genera il campo magnetico? Una corrente può generare un campo magnetico?

E poi ancora come fa un forte e improvviso campo magnetico a generare l’effetto del salto?

Esperimento collaterale nato nella preparazione: il pendolo con l’anello di rame ( o il disco)

Si pone l’anello appeso a un filo a formare un pendolo. Il pendolo è collegato a un sensore di forza. Si pone l’anello a contatto con la bobina del cannone posto verticalmente, come nella foto. Allo start l’anello parte e se si leva il cannone comincia a oscillare. La tensione del filo viene monitorata dal sensore. Tra le altre cose dalla misura della tensione nel punto più alto della traiettoria si può risalire all’angolo massimo e da questo all’energia fornita all’anello.

Il tubo di rame che potenzia l’effetto

a volte può capitare che si dispongano casualmente degli oggetti, quasi giocherellando, ottenendo effetti imprevisti che poi si devono interpretare.

Se si mette un tubo di rame  al centro della bobina, allo start non succede nulla,il campo magnetico al centro della bobina del emg è nullo (vedi articolo di Guido Pegna, citato). Ma se si mette l’anello di alluminio o il rotolino di filo, l’effetto risulta potenziato, a parità di scarica salta visibilmente più in alto.

Perché?

(La spiegazione può essere difficile per gli studenti, forse, va provata con loro. In realtà il tubo di rame è posto al centro della bobina, con diametro decisamente più piccolo del diametro interno della bobina. Nel tubo di rame allo start del emg non circola alcuna corrente dovuta al egm. Ma nell’anello di rame c’è un forte impulso di corrente indotta e questa induce una corrente parallela nel tubo e quindi il salto viene potenziato.)