Elettromagnete con interruttore

Cosa imparerà

• Che una corrente elettrica crea un campo magnetico intorno a sé e che avvolgere il filo in spire lo concentra.
• Che un nucleo di ferro moltiplica quel campo centinaia di volte (i domini magnetici del ferro si allineano).
• Che la forza dell'elettromagnete dipende dalle spire e dalla corrente (amperspire) e si può misurare contando le graffette.
• Che un elettromagnete si accende e si spegne, a differenza di una calamita permanente, e che l'acciaio può restare un po' magnetizzato.
• Che un filo senza resistenza consuma molta corrente e si scalda: per questo usiamo un pulsante e prove brevi.

Prepara prima

• Verifica con una calamita da frigo che il chiodo sia di acciaio: se non si attacca, cercane un altro.
• Stampa le sagome al 100 % e verifica che la base A misuri 90 mm.
• Taglia 3 m di filo per ogni elettromagnete e avvolgilo su un rotolo di cartone perché non si aggrovigli.
• Procurati una pila piatta nuova: con una scarica l'elettromagnete solleva a malapena 1–2 graffette.
• Prepara un piatto con 30 graffette sciolte (non agganciate tra loro) per le prove.

Materiali e attrezzi

• Filo di rame smaltato — 3 m (altri 4,5 m se fai anche le bobine da 50 e 150 spire dell'esperimento) da comprare
  Ø 0,5 mm (AWG 24), smalto rossiccio o trasparente
• Chiodo grande di acciaio — 1
  100 mm × 4–5 mm, normale o zincato (una calamita da frigo ci si attacca)
• Pila piatta da 4,5 V — 1 da comprare
  3LR12 alcalina, con le due lamelle di contatto
• Graffette piccole di metallo — 30
  da 28–33 mm, non plastificate, tutte uguali (≈ 0,5 g ciascuna)
• Nastro adesivo — 40 cm
  da pacchi o isolante
• Carta stagnola (alluminio) da cucina — 1 pezzo da 10 × 10 cm
  per i contatti del pulsante
• Cartone ondulato — 1 pezzo da 20 × 15 cm
  3 mm, da scatola per spedizioni
• Carta vetrata fine — 1 pezzo da 5 × 5 cm
  grana 150–240
• Calamita da frigo — 1
  solo per verificare che il chiodo sia di acciaio

Attrezzi

• Tronchesine o forbici vecchie — tagliare il filo
• Righello — misurare estremità, bobina e pezzi del pulsante
• Forbici — tagliare i pezzi di cartone e l'alluminio
• Colla stick o colla vinilica — incollare gli strati del pulsante
• Pennarello — segnare la zona di avvolgimento sul chiodo

Pezzi e sagome

• A · Base del pulsante ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Leva del pulsante ×1 — cartone ondulato 3 mm
• C · Distanziali ×3 — cartone ondulato 3 mm
• D · Contatti di alluminio ×2 — carta stagnola piegata in 4 strati
• E · Guida di avvolgimento ×1 — carta
• F · Filo della bobina ×1 — filo di rame smaltato Ø 0,5 mm

Passo passo

1. Verifica il chiodo

   Avvicina una calamita da frigo al chiodo da 100 mm. Se si attacca, va bene. Metti il chiodo accanto alla guida E e segna con il pennarello la zona di avvolgimento: da 25 a 55 mm dalla testa.

   Verifica: La calamita si attacca con forza e hai due segni distanti 30 mm.

2. Fissa l'inizio del filo

   Lascia liberi 20 cm di filo e fissa quel punto al chiodo accanto al primo segno con un pezzetto di nastro da 2 cm. Quella sarà l'estremità 1.

3. Primo strato di 50 spire

   Avvolgi il filo ben stretto, spira accanto a spira, girando sempre nello stesso verso, dal primo segno fino al secondo. Conta ad alta voce: devono venire circa 50 spire nei 30 mm.

   Trucco: Fai un trattino su un foglio ogni 10 spire per non perdere il conto.

4. Secondo strato di 50 spire

   Senza tagliare né cambiare il verso di rotazione, torna indietro avvolgendo sopra il primo strato dal secondo segno fino al primo, altre 50 spire. Così le due estremità finiscono dallo stesso lato.

   Verifica: Le 100 spire girano tutte nello stesso verso: se inverti il verso a metà, uno strato annulla l'altro.

5. Blocca la bobina

   Taglia il filo lasciando 20 cm di estremità 2. Avvolgi la bobina con un giro di nastro adesivo perché non si disfi, lasciando uscire le due estremità.

6. Carteggia le estremità adulto

   Carteggia gli ultimi 2 cm di ogni estremità tutto intorno, facendo ruotare il filo tra le dita dentro la carta vetrata piegata, finché il rame brilla e non resta colore rossiccio.

   Verifica: Gratta con l'unghia: il rame lucido non lascia segni di smalto.

7. Taglia i pezzi del pulsante

   Ritaglia la base A (90 × 60 mm), la leva B (85 × 20 mm), i 3 distanziali C (20 × 20 mm) e due rettangoli di alluminio da 60 × 32 mm. Piega ogni alluminio due volte per ottenere i contatti D da 30 × 16 mm.

8. Monta il contatto inferiore

   Taglia un ponticello di 25 cm di filo smaltato e carteggia 2 cm a ogni estremità. Infila un'estremità sotto un contatto D, in modo che 1 cm di rame resti sotto l'alluminio, e fissa il contatto sulla sua zona della base A con il nastro solo sui bordi, lasciando scoperto il centro di alluminio.

   Verifica: Il rame è stretto tra l'alluminio e il cartone, non è libero.

9. Monta la leva

   Incolla i 3 distanziali C uno sopra l'altro all'estremità sinistra della base, tra le sue due linee (a 5 mm dal bordo). Metti il secondo contatto D sotto la leva B (da 50 a 80 mm, la sua linea segnata) con l'estremità 1 della bobina sotto, come prima. Incolla la zona «INCOLLA» della leva sui distanziali, con la sua estremità ben allineata con quella dei distanziali.

   Verifica: Senza premere, i due alluminii restano uno proprio sopra l'altro, distanti circa 9 mm; premendo con un dito, si toccano.

10. Collega la pila adulto

    Avvolgi 3 giri dell'altra estremità del ponticello sulla lamella corta (+) della pila piatta e fissalo con il nastro. Avvolgi l'estremità 2 della bobina sulla lamella lunga (−) e fissala allo stesso modo. Ora il circuito si chiude solo quando premi il pulsante.

11. Solleva le graffette

    Con una mano tieni il chiodo per la testa e avvicina la punta al piatto di graffette. Con l'altra, premi il pulsante e solleva il chiodo piano. Conta le graffette che pendono.

    Verifica: Con il pulsante premuto solleva varie graffette; senza premere, non ne attira quasi nessuna.

12. Rilascia e osserva

    Con le graffette appese sopra il piatto, rilascia il pulsante. Le graffette cadono. Se ne restano attaccate 1 o 2, è il magnetismo che l'acciaio conserva: dai un colpetto al chiodo con il dito.

13. Prove brevi

    Non tenere premuto il pulsante per più di 10 secondi di fila e riposa 30 secondi tra una prova e l'altra. Tocca la pila e la bobina ogni poche prove: devono essere al massimo tiepide.

    Verifica: Se la bobina o la pila sono calde, fai 5 minuti di pausa prima di continuare.

Funziona? La prova

Con la pila piatta nuova, premi il pulsante, tocca il piatto di graffette con la punta del chiodo, sollevalo di 10 cm e conta le graffette che pendono. Ripeti 3 volte e fai la media.

Cosa deve succedere: Con 100 spire e 4,5 V di solito solleva tra 5 e 15 graffette (2–8 g), alcune appese alle altre. Quando rilasci il pulsante cadono quasi tutte in meno di 1 s; con un chiodo di acciaio duro ne possono restare attaccate 1–2.

Se qualcosa non va

• Non solleva nessuna graffetta — Non passa corrente: smalto non tolto, rame libero sotto l'alluminio o pila scarica. Soluzione: Carteggia di nuovo le estremità, stringi le giunzioni con più nastro e prova con una pila nuova. Verifica che i due alluminii si tocchino quando premi.
• Solleva pochissime graffette (1–2) — Poche spire, pila da 9 V o scarica, oppure spire in versi opposti che si annullano. Soluzione: Usa la pila piatta da 4,5 V, verifica che tutte le spire girino nello stesso verso e aggiungi un altro strato di 50 spire.
• Attira le graffette anche se non premi — I contatti si toccano da soli (leva abbassata) oppure il chiodo è rimasto magnetizzato. Soluzione: Aggiungi un altro distanziale C. Se il chiodo è magnetizzato, battilo un paio di volte contro il tavolo o cambia chiodo.
• La pila e la bobina si scaldano molto — Circuito chiuso troppo a lungo: quasi un cortocircuito da 2–4 A. Soluzione: Prove di massimo 10 s e pause di 30 s. Se continua a scaldarsi in fretta, aggiungi altre spire (più filo = un po' più di resistenza).
• Le graffette non cadono quando rilasci — Rimanenza: l'acciaio del chiodo (soprattutto se è duro o è una vite) resta un po' magnetizzato. Soluzione: È normale e si può studiare. Prova con un chiodo di ferro dolce più tenero o batti il chiodo per smagnetizzarlo.
• Funziona a tratti — Contatto allentato sulle lamelle della pila o nel pulsante. Soluzione: Avvolgi il rame 3 giri intorno alla lamella della pila e stringi i contatti con il nastro solo sui bordi.

Sicurezza

• Non usare mai la corrente di una presa né batterie d'auto o di cellulare: solo pile piccole da 1,5 a 9 V (quella consigliata è la pila piatta da 4,5 V; quella da 9 V funziona peggio e si scalda).
• Il filo collegato quasi in cortocircuito si scalda: massimo 10 secondi premendo il pulsante, e pause. Se qualcosa è caldo al tatto, scollega la pila.
• Le estremità del filo e la punta del chiodo pungono: puntale sempre verso il basso e conserva il chiodo in una scatola.
• Graffette e puntine sono pezzi piccoli: fuori dalla portata dei bambini sotto i 3 anni.
• Alla fine, scollega un cavo dalla pila perché non si scarichi né si scaldi dentro una scatola.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando l'elettricità scorre in un filo, intorno al filo compare una forza magnetica invisibile, debolissima. Se avvolgiamo il filo tante volte, tutte quelle forze si sommano, come quando tanti bambini tirano la stessa corda. Il chiodo di ferro è pieno di minuscole calamite in disordine; la bobina le fa guardare tutte dalla stessa parte e il chiodo diventa una calamita forte. Quando rilasci il pulsante, l'elettricità si ferma, le minuscole calamite tornano in disordine e le graffette cadono.

Per l'adulto

Una corrente I in un solenoide di N spire e lunghezza ℓ crea al suo interno un campo H = N·I/ℓ (legge di Ampère). Con N = 100, ℓ = 30 mm e I ≈ 2–3 A, H ≈ 7–10 kA/m: in aria sarebbero solo ≈ 10 mT. Il nucleo di acciaio, ferromagnetico, ha una permeabilità relativa da centinaia a migliaia: i suoi domini magnetici si orientano con il campo e l'induzione nel nucleo sale fino a 0,5–1,5 T, vicino alla saturazione. La forza sulle graffette è proporzionale a B² e al gradiente del campo, per questo è maggiore sulla punta. Ciò che conta è il prodotto N·I (amperspire): raddoppiare spire o corrente aumenta la forza, finché il ferro si satura. La resistenza di 2 m di rame da 0,5 mm è solo ≈ 0,17 Ω, quindi la corrente è limitata dalla resistenza interna della pila (≈ 0,5–1 Ω in una pila piatta; ≈ 2 Ω in una da 9 V, che inoltre ha poca capacità): quasi tutta l'energia si dissipa come calore, da qui il pulsante e le prove brevi. Quando si interrompe la corrente, l'acciaio conserva una magnetizzazione residua che dipende dalla sua durezza magnetica (coercitività): il ferro dolce la perde quasi tutta; gli acciai duri e le viti temprate restano magnetizzati. Invertire la pila inverte i poli (regola della mano destra).

• elettromagnete: calamita che funziona solo finché passa corrente nella sua bobina.
• nucleo: pezzo di ferro dentro la bobina che moltiplica il magnetismo.
• spira: ciascuno dei giri del filo.
• polo: ciascuna estremità di una calamita, dove la sua forza è maggiore (nord e sud).
• rimanenza: magnetismo che resta nel ferro quando non passa più corrente.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto avvolge o aiuta ad avvolgere, carteggia e collega. Il bambino monta il pulsante con nastro e alluminio, preme e conta le graffette. Messaggio: «premo = calamita; rilascio = niente calamita».
• 8–10 anni: Avvolgono le 100 spire contando ad alta voce, montano il pulsante e fanno l'esperimento 50 contro 100 spire. L'adulto controlla i collegamenti alla pila.
• 11–12 anni: Fanno tre bobine, misurano e fanno il grafico. Sfida: calcolare le amperspire supponendo 2 A e spiegare perché la pila da 9 V funziona peggio della pila piatta.

In gruppo o in classe

Coppie, un elettromagnete per coppia; le pile piatte si possono condividere tra due coppie. Prima: tagliare 3 m di filo per coppia, verificare i chiodi con una calamita e pretagliare i pezzi del pulsante. Sessione di 50 min: 5 min di dimostrazione, 25 min di montaggio, 20 min di gara di sollevamento con una tabella comune alla lavagna (spire, pila, graffette). Tieni 3–4 pile di ricambio e un adulto che controlli che nessuno lasci il pulsante premuto.

Sfide

• Costruisci una mini gru di cartone che prenda graffette da un mucchio e le lasci in una scatola a 15 cm.
• Riesci a sollevare 20 graffette con la stessa pila cambiando solo il numero di spire o il nucleo.
• Fai un elettromagnete a ferro di cavallo (due bobine su un bullone piegato o su due chiodi uniti per la testa con una lamierina) e confronta.
• Separa graffette di acciaio da punti di rame o da bottoni di plastica mescolati: il tuo elettromagnete come selezionatore di rottami.

Altri progetti gratis

• Bussola ad ago galleggiante
• Graffetta sospesa da un magnete
• Motore a bobina e pila
• Motore senza spazzole con pila e magnete
• Trenino a pila e magneti

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