Forze magnetiche

1. Forze magnetiche Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Concetti 1) forze a distanza 2) forze a distanza e polarità magnetiche 3) forze a distanza ed equilibrio di forze magnetiche 4) energia magnetica 5) effetti magnetici di una corrente elettrica Attività 1) Sollevare senza toccare 2) Pesare di più o di meno 3) Fare oscillare 4) Lanciare 5) Attirare piccoli oggetti metallici 1) L’aquilone magnetico 2) I magnetini sulla bilancia 3) I pendolini magnetici 4) Il flipper magnetico 5) Il chiodo che diventa calamita D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007 Forze magnetiche-1

2. Forze magnetiche Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Consegna: tutto quello che si può fare con magnetini, fermagli metallici, bilancia e un dinamometro • Occhiello forze a distanza • una calamita è capace di attrarre piccoli oggetti vicini; • la calamita esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, detta forza magnetica, che è diretta lungo la retta che li congiunge; • non tutti gli oggetti possono sentire una forte attrazione magnetica, solo quelli che contengono certi tipi di metallo come il ferro e che pertanto vengono chiamati “materiali ferromagnetici”; • un oggetto magnetizzato da una calamita si comporta come se fosse a sua volta magnetico, cioè diventa capace di attirare altri oggetti di ferro. • Forze attrattive o repulsive • avvicinando fra di loro due calamite si può osservare che si attirano oppure che si respingono; • ogni calamita, qualunque sia la sua forma e dimensione, ha sempre due poli magnetici di segno diverso, che indicano zone di azione magnetica particolarmente intensa e che sono presenti agli estremi opposti: poli dello stesso segno si respingono, mentre poli di segno diverso si attirano; • ai due poli magnetici viene dato convenzionalmente il nome di polo Nord e polo Sud; • i due poli non possono essere separati: spezzando in due una calamita, si riformano i due poli agli estremi opposti di ciascuna parte; • la forza di attrazione o di repulsione fra calamite è reciproca: se la calamita “1” attira la calamita “2”, anche la calamita “2”, a sua volta, attira la calamita “1”. • La forza magnetica e il “campo” • in corrispondenza dei poli magnetici la forza magnetica di attrazione o repulsione è molto intensa; • nelle zone più lontane dai poli l’attrazione e la repulsione diminuiscono • interporre carta o plastica tra le calamite o tra la calamita e un oggetto contenente ferro non impedisce l’azione reciproca dei due oggetti • in un campo magnetico è immagazzinata dell’energia magnetica Forze magnetiche-2

3. L’aquilone magnetico Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: alcune clips metalliche, alcuni magnetini, filo, pongo, righello • Attività: • Attività introduttive: • esplorare in vari modi come è fatta una calamita e l’attrazione o repulsione che avviene fra poli eguali e poli opposti di due calamite • esplorare la magnetizzazione di oggetti metallici, come una clips, quando sono avvicinati a una calamita • verificare che la clips, una volta magnetizzata, si comporta come un vero e proprio magnete, con poli opposti agli estremi • individuare sempre le forze in gioco indicandole con il nome degli oggetti in interazione • Un gioco per esplorare l’interazione a distanza. • - Attaccare un cordino leggero alla base del fermaglio metallico, che fungerà da “aquilone”. Appoggiare cordino e fermaglio su un tavolo e, tenendo fermo con un dito l’estremo libero del cordino, avvicinare una calamita al fermaglio, facendo in modo che la calamita lo attiri senza tuttavia toccarlo fino a quando il cordino risulti ben teso. A questo punto cominciare a sollevare la calamita badando di tirarsi dietro il fermaglio. • - Con il righello fissato alle calamite evidenziare la distanza massima che si può lasciare fra la calamita e l’estremo del fermaglio senza che il fermaglio cada. • - Confrontare la distanza massima quando il filo è verticale con quella che si riesce a realizzare con una inclinazione obliqua. • Ripetere la prova con più fermagli appesi oppure con più calamite Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’attrazione magnetica: storie e leggende di levitazione magnetica • Riferimenti: • - N. Ardley- Giochiamo con le calamite – • Fabbri, 1992 • www.iapht.unito.it • Concetti: • attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza • forze in equilibrio • Aspetti didattici: • scoprire le forze che agiscono a distanza • correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro distanza Forze magnetiche-3a

4. L’aquilone magnetico Fcalamita-fermaglio Ffilo-fermaglio FTerra-fermaglio Ffermaglio-calamita Fcalamita-fermaglio Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore • La fisica: • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza • e cresce col diminuire della distanza • composizione di forze e forze in equilibrio • nota bene • Equilibrio delle forze La calamita attira il fermaglio con la forza Fcalamita-fermaglio • che è diretta verso l’alto e permette al fermaglio di “levitare”, cioè di non cadere sotto • l’azione della forza di gravità FTerra-fermaglio. Il ruolo del filo è di aggiungere la piccola • forza laterale Ffilo-fermaglio in modo da equilibrare in direzione e intensità Fcalamita-fermaglio. • In verticale, Fcalamita-fermaglio è minima perché Ffilo-fermaglio è nulla. • Azione e reazione Anche in fermaglio esercita sulla calamita una forza Ffermaglio-calamita, • diretta verso il basso, che deve essere equilbrata dalla mano che sostiene la calamita • (è così piccola rispetto alla forza peso della calamita che non viene percepita). Forze magnetiche-3b

5. I magnetini “infilzati” sulla bilancia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: magnetini forati al centro, pongo, stecchino da spiedini, bilancia da cucina • Attività: • Attività introduttive: esplorare in vari modi come è fatta una calamita e l’attrazione o repulsione che avviene fra poli eguali e poli opposti di due calamite; • per farlo più facilmente, infilare i magnetini forati sullo stecchino piantato nel pongo per tenerlo verticale • individuare sempre le forze in gioco indicandole con il nome degli oggetti in interazione • Attività per indagare l’interazione a distanza. Mettere pongo, stecchino e un magnetino su una bilancia da cucina e pesarli. Infilare sullo stecchino un magnete forato facendo in modo che si trovino affacciati poli eguali. Osservare la variazione di “peso”. Tradurla in variazione di “forza peso”esprimendola in newton • provare a spingere verso il basso il magnetino che levita e osservare la variazione di forza peso al variare della distanza • ripetere la prova allontanando verso l’alto il magnetino che levita • ripetere le prove facendo affacciare le facce opposte dei magnetini • ripetere le prove frapponendo tra le calamite uno spessore di carta o di altro materiale non magnetizzabile Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’attrazione magnetica: storie e leggende di levitazione magnetica • Concetti: • attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza • forze in equilibrio • Riferimenti: • - N. Ardley- Giochiamo con le calamite • Fabbri, 1992 (C) • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • scoprire le forze che agiscono a distanza • correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro polarità Forze magnetiche-4a

6. I magnetini “infilzati” sulla bilancia Fcalamita2-calamita1 1 Fcalamita3-calamita2 2 Fcalamita1-calamita2 3 Fcalamita2-calamita3 4 Fcalamita2-calamita1 1 FTerra-calamita1 Fcalamita3-calamita2 2 Fcalamita1-calamita2 FTerra-calamita2 3 Fcalamita2-calamita3 4 Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore • La fisica: • attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a • distanza e cresce col diminuire della distanza • composizione di forze e forze in equilibrio • nota bene • Azione e reazione Ogni calamita esercita sulla calamita vicina una forza uguale • e contraria a quella che la calamita vicina le applica (es. Fcalamita3-calamita2 è • applicata alla calamita 2 ed è diretta verso l’alto, Fcalamita2-calamita3 è applicata alla • calamita 3 ed è diretta verso il basso). • Equilibrio delle forze La calamita 1 è in equilibrio perché alla forza FTerra-calamita1 • diretta verso il basso, si oppone la forza Fcalamita2-calamita1 diretta verso l’alto. • Alla calamita 2 sono applicate due forze dirette verso il basso, FTerra-calamita2 e • Fcalamita1-calamita2 che vanno equilibrate dalla forza Fcalamita3-calamita2 diretta verso • l’alto: le calamite 2 e 3 debbono perciò essere più vicine perché questa forza sia il • doppio della forza Fcalamita1-calamita2 Forze magnetiche-4b

7. I pendolini magnetici Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: sottili barrette magnetiche che si trovano nei popolari giochi magnetici tipo “geomag”, spago, sostegno di cartone o di plastica • Attività: • legare un cordino sottile al punto di mezzo di una barretta magnetica del “geomag” e appenderlo a un sostegno; • verificare che la barretta stia in equilibrio orizzontalmente come in figura: si noterà che il pendolino dopo una breve oscillazione, si fermerà puntando nella direzione Nord-Sud (si è quindi costruita una “bussola”); • per controllare che il pendolino si comporta proprio come l’ago di una bussola, avvicinare un’altra calamita e muoverla intorno al pendolino, mantenendosi però a una buona distanza: si noterà che il pendolino si orienta in modo da seguire la calamita (se però si avvicina troppo la calamita al pendolino, questo sarà bruscamente attirato!) • preparare un secondo pendolino, appenderlo dalla parte opposta del sostegno: si osserverà che entrambi i pendolini non si orientano più nella direzione Nord-Sud, ma si influenzano reciprocamente. • provare a mettere in rotazione uno dei due e osservare che anche l’altro inizia a ruotare come se gli arrivasse, a distanza, il segnale di muoversi. Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’attrazione magnetica: storie e leggende • Concetti: • attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza • Riferimenti: • - N. Ardley- Giochiamo con le calamite • Fabbri, 1992 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • scoprire le forze che agiscono a distanza • correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro polarità Forze magnetiche-5a

8. I pendolini magnetici Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore • La fisica: • la barretta magnetica si comporta come l’ago magnetico di una bussola che, in presenza di un altro magnete, ruota orientandosi in modo da avvicinare al massimo al magnete il suo polo magnetico che ha il segno opposto a quello del polo più vicino dell’altro magnete e allontanare al massimo l’altro polo; • la Terra agisce come una enorme calamita che ha il polo Sud magnetico in prossimità del polo Nord geografico. Forze magnetiche-5b

9. Il flipper magnetico 1 3 5 7 stato iniziale 1 3 5 stato finale 7 PED Fisica classe A059 Oggetti: una canalina di alluminio, lunga circa 1 m, tre dischetti magnetici, 7 sferette di acciaio, dinamometro • Attività: • fissare alla canalina i tre magnetini a una distanza di circa 15 cm uno dall’altro, in prossimità di uno degli estremi, e posizionare le 7 sferette come in figura (stato iniziale); • avvicinare lentamente la sferetta 1 fino a quando viene attratta dal primo magnete: si osserverà che la sferetta 3 si stacca e finisce contro il secondo magnete, fa staccare la sferetta 5 che finisce contro il terzo magnete, mentre la sferetta 7 parte a grande velocità; • cercare di valutare l’energia acquistata dalla sferetta 7 inclinando la canalina a un angolo di circa 30° e misurando l’altezza a cui arriva; • attaccare una sferetta al dinamometro e misurare la forza che occorre applicare per staccare la sferetta quando è a immediato contatto con il dinamometro, come nella posizione delle sferette nello stato finale, oppure quando fra la sferetta e il magnete è interposta un’altra sferetta, come nella posizione delle sferette 3, 5 e 7 dello stato iniziale • Aspetti didattici: • scoprire le forze che agiscono a distanza • capire che l’attrazione magnetica comporta anche una energia di posizione proprio come l’attrazione gravitazionale Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’attrazione magnetica: storie e leggende • Concetti: • attrazione magnetica della sferetta di acciaio da parte del magnete • forze a distanza: la forza di attrazione magnetica agisce a distanza e diminuisce col crescere della distanza • energia magnetica: la sferetta attirata dal magnete perde energia di posizione magnetica e acquista energia cinetica • Riferimenti: • - N. Ardley- Giochiamo con le calamite Fabbri, 1992 • www.iapht.unito.it Forze magnetiche-6a

10. Il flipper magnetico 1 3 5 7 stato iniziale 1 3 5 stato finale 7 • La fisica: • le sferette 1, 3, 5 nello stato finale sono più vicine ai magneti che nello stato iniziale, quindi occorre più forza per staccarle e, di conseguenza, occorre anche un lavoro maggiore e maggiore energia; • nello stato finale le tre sferette hanno quindi una “energia di posizione” minore che nello stato iniziale, perché sono più vicine ai magneti, proprio come un corpo che, nel campo gravitazionale, sta più in basso; • “cadendo” verso il magnete, le tre sferette hanno trasformato una parte della loro energia di posizione in energia cinetica, proprio come un corpo che cade nel campo della gravità; • l’energia cinetica delle tre sferette si trasferisce, nell’urto, alla sferetta 7. Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - le osservazioni più impegnative e le misure vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Forze magnetiche-6b

11. Il chiodo che diventa calamita Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti:una pila da 4.5 volt, un chiodo di ferro o acciaio (5-10 cm), un tratto di filo elettrico (circa 50 cm), fermagli, scatola di spilli, una bussola • Attività: • avvicinare il chiodo agli spilli e verificare che esso non esercita alcuna attrazione; • avvolgere il chiodo con una spirale fitta di filo elettrico (almeno una ventina di spire) e collegare i due estremi liberi del filo alle due linguette della batteria; • avvicinare la punta del chiodo alla bussola: l’ago della bussola risponde in modo evidente alla presenza del chiodo magnetizzato; • interrompere il collegamento con la batteria: il chiodo mantiene una magnetizzazione residua evidenziata dal movimento dell’ago della bussola; • per visualizzare in altro modo la magnetizzazione del chiodo da parte della corrente elettrica avvicinare, a circuito chiuso con la pila, la punta del chiodo agli spilli e osservare l’attrazione esercitata dal chiodo sugli spilli; • staccare il collegamento con la pila: gli spilli si staccano immediatamente dalla estremità del chiodo, la magnetizzazione del chiodo diminuisce in modo evidente Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’attrazione magnetica: storie e leggende • Concetti: • attrazione e repulsione magnetica: poli opposti si attirano, poli eguali si respingono • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione magnetica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza • Riferimenti: • - N. Ardley- Giochiamo con le calamite • Fabbri, 1992 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • scoprire le forze che agiscono a distanza • correlare l’interazione fra oggetti magnetici o magnetizzati con la loro polarità Forze magnetiche-7a

12. Il chiodo che diventa calamita Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore • La fisica: • il funzionamento di una calamita è basato sulla capacità fondamentale della corrente elettrica di creare nello spazio intorno a sé una forza magnetica che attira o respinge del tutto simile a quella creata da una calamita naturale. • un filo elettrico percorso da una corrente produce degli effetti magnetici del tutto simili a quelli prodotti da una calamita, cioè diventa una elettrocalamita; • ponendo un oggetto ferromagnetico all’interno dell’avvolgimento elettrico la forza magnetica diventa molto più intensa. Forze magnetiche-7b