Motore a bobina e pila

Cosa imparerà

• Che una corrente elettrica che passa in un filo dentro un campo magnetico riceve una forza (forza di Lorentz) e che una bobina si comporta come un magnete.
• Perché un motore ha bisogno di un commutatore: se la corrente non si interrompe per mezzo giro, la bobina resta ferma rivolta verso il magnete.
• Che invertire il magnete (o la pila) inverte il senso di rotazione.
• Che in una macchina vera l'equilibrio e l'attrito contano quanto l'elettricità.
• Che un cortocircuito consuma e scalda la pila: per questo si usa solo per brevi periodi.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e verifica con il righello che la sagoma C misuri 110 mm di lunghezza.
• Verifica che le graffette siano di metallo nudo: strofinane una con la carta vetrata; se viene via plastica, non vanno bene.
• Tieni una pila nuova e un'altra di scorta: con pile scariche la bobina non parte.
• Se i bambini hanno meno di 9 anni, taglia tu il filo (90 cm) e piega le graffette con la dima prima della sessione.
• Tieni a portata di mano un cellulare con il rallentatore per contare i giri nella prova.

Materiali e attrezzi

• Filo di rame smaltato — 90 cm (+ 2 m di scorta per gli esperimenti) da comprare
  Ø 0,5–0,6 mm (AWG 22–24), smalto poliuretanico (rossiccio o trasparente)
• Magnete al neodimio a disco — 1 (meglio 2–3 per gli esperimenti) da comprare
  Ø 12–20 mm × 3–5 mm, N35 o superiore
• Pila stilo AA — 1 (e un'altra di scorta)
  alcalina nuova da 1,5 V
• Graffette grandi di metallo — 2
  da 50 mm, acciaio zincato NON plastificato
• Elastico — 1
  da ufficio, che giri attorno alla pila nel senso della lunghezza ben teso (≈ Ø 40 mm a riposo)
• Nastro adesivo — 20 cm
  nastro da imballaggio o isolante
• Carta vetrata fine — 1 pezzo di 5 × 5 cm
  grana 150–240
• Cartone ondulato — 1 pezzo di 10 × 7 cm
  3 mm, da scatola per spedizioni
• Pennarello indelebile nero — 1
  punta fine

Attrezzi

• Pinze a becchi — piegare le graffette e raddrizzare le punte della bobina adulto
• Tronchesine o forbici vecchie — tagliare il filo di rame
• Righello — misurare il filo, le punte e l'altezza
• Molletta da bucato o pallina di plastilina — tenere la bobina in piedi mentre si carteggia la mezza punta
• Forbici — tagliare la base di cartone e le sagome

Pezzi e sagome

• A · Base ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Zeppe della pila ×2 — cartone ondulato 3 mm
• C · Sagoma di controllo della bobina ×1 — carta
• D · Dima per piegare le graffette ×1 — carta
• E · Filo della bobina ×1 — filo di rame smaltato Ø 0,5–0,6 mm

Passo passo

1. Prepara la base

   Ritaglia la base A (100 × 50 mm) e le due zeppe B (50 × 8 mm). Incolla ogni zeppa con colla o nastro biadesivo proprio all'esterno delle linee segnate, lasciando un canale di 15 mm tra le due.

   Verifica: La pila AA entra sdraiata nel canale e non rotola se la spingi di lato.

2. Taglia il filo

   Misura e taglia 90 cm di filo smaltato. Fallo scorrere un paio di volte tra due dita per raddrizzarlo senza piegarlo ad angolo.

3. Avvolgi 15 spire

   Lascia 5 cm liberi all'inizio e avvolgi il filo stretto attorno alla pila AA, 15 spire di seguito una accanto all'altra. Alla fine ti avanzeranno circa 15 cm.

   Trucco: Tieni fermo l'inizio con il pollice contro la pila perché non si sciolga mentre avvolgi.

4. Sfila la bobina e legala

   Fai scivolare la bobina fuori dalla pila. Con l'estremità corta fai 3 giri stretti attorno al fascio di fili e lascia la punta che esce dritta verso l'esterno. Fai lo stesso con l'estremità lunga, esattamente sul lato opposto della bobina.

   Verifica: La bobina non si disfa quando la scuoti e le due punte escono da lati opposti.

5. Accorcia e allinea le punte adulto

   Taglia le due punte in modo che ognuna misuri 35 mm dal bordo della bobina. Appoggia la bobina sulla sagoma C e raddrizza le punte con le pinze finché entrambe stanno sulla linea centrale.

   Verifica: Se fai girare la bobina tenendo le punte tra due dita, gira come una ruota senza ballare.

6. Carteggia una punta intera

   Carteggia una delle punte su tutto il contorno negli ultimi 30 mm (dal segno fino all'estremità), facendola ruotare tra le dita dentro la carta vetrata. Deve restare color rame lucido, senza tracce rossicce.

   Verifica: Guarda la punta alla luce: tutto il contorno brilla allo stesso modo.

7. Carteggia mezza punta con la bobina in piedi adulto

   Metti la bobina in piedi (come una ruota), tenuta da una molletta da bucato o dalla plastilina, con le punte orizzontali. Carteggia SOLO la metà superiore dell'altra punta, negli ultimi 30 mm, passando la carta vetrata in una sola direzione. La metà inferiore deve conservare lo smalto.

   Verifica: Guardando la punta di lato, vedi una striscia di rame sopra e smalto sotto.
   Trucco: Se la carta vetrata ti scappa, carteggia tutta la punta e poi colora la metà inferiore con il pennarello indelebile, con la bobina nella stessa posizione: anche l'inchiostro isola.

8. Piega le graffette adulto

   Raddrizza ogni graffetta e piegala sopra la dima D: un piede di 16 mm, un tratto verticale di 22 mm (dal gomito al centro dell'occhiello) e, in cima, un occhiello chiuso di Ø 3 mm (avvolgilo attorno a un chiodo o alla punta di una matita).

   Verifica: Le due graffette sono uguali: mettile una accanto all'altra e gli occhielli sono alla stessa altezza.

9. Fissa le graffette ai poli

   Appoggia il piede di una graffetta sul polo + e quello dell'altra sul polo −: il gomito proprio al centro del polo e il piede steso in orizzontale all'indietro (tutti e due dallo stesso lato), con il tratto verticale e l'occhiello verso l'alto. Metti l'elastico lungo la pila, sopra i due piedi, per premerli contro il metallo, e rinforza con nastro all'esterno.

   Verifica: Il metallo della graffetta tocca il metallo del polo (il nastro non sta mai sotto). Guardando la pila dall'alto, i due tratti verticali sono sulla linea centrale della pila e gli occhielli sono uno di fronte all'altro e alla stessa altezza.

10. Posiziona la pila e il magnete

    Metti la pila nel canale della base con le graffette verso l'alto. Posiziona il magnete al neodimio al centro della pila: si attaccherà da solo all'involucro d'acciaio.

11. Regola l'altezza

    Infila le punte della bobina negli occhielli. Girando a mano, la bobina deve passare tra 1 e 3 mm sopra il magnete. Se sfrega, alza un po' gli occhielli; se resta a più di 5 mm, abbassali o metti un secondo magnete sopra il primo.

    Verifica: Gira la bobina con il dito: fa almeno 3 giri da sola senza toccare il magnete.

12. Avvia il motore

    Dai alla bobina una spintarella leggera con il dito. Se non continua a girare, spingila nell'altro senso. Quando parte, accelera in 1–2 secondi e gira da sola.

    Trucco: Se oscilla solo avanti e indietro, ruota la mezza punta di 180° nell'occhiello oppure carteggia di nuovo con la bobina in piedi (passaggio 7).

13. Regolazione fine adulto

    Se la bobina salta fuori dagli occhielli o vibra molto, raddrizza le punte sulla sagoma C e stringi un po' gli occhielli con le pinze. Una bobina ben equilibrata gira più veloce e più silenziosa.

14. Spegni alla fine

    Togli la bobina dagli occhielli dopo ogni prova (al massimo 1–2 minuti di fila). Tocca la pila: se è tiepida, lasciala riposare 5 minuti.

    Verifica: Senza la bobina non passa corrente e la pila smette di scaldarsi.

Funziona? La prova

Con la pila nuova, avvia la bobina e filmala per 10 secondi con il rallentatore del cellulare. Prima attacca un pezzetto di nastro colorato sul bordo della bobina per poter contare i giri.

Cosa deve succedere: La bobina gira da sola e in modo continuo, di solito tra 5 e 20 giri al secondo (300–1200 giri/min), sempre nello stesso senso. Se capovolgi il magnete, gira in senso contrario.

Se qualcosa non va

• Non fa niente, nemmeno con la spinta — Non c'è corrente: smalto non tolto, graffette plastificate o nastro tra la graffetta e il polo. Soluzione: Carteggia di nuovo le zone di contatto, usa graffette di metallo nudo e verifica che il piede della graffetta tocchi direttamente il polo. Prova con una pila nuova.
• Oscilla avanti e indietro ma non gira — La mezza punta è stata carteggiata con la bobina sdraiata: la corrente passa quando la bobina è già rivolta verso il magnete. Soluzione: Ruota la mezza punta di mezzo giro dentro l'occhiello oppure carteggiala di nuovo con la bobina in piedi (carteggia tutto e colora l'altra metà con il pennarello).
• Fa qualche giro e si ferma sempre nella stessa posizione — Bobina sbilanciata: il lato pesante finisce sempre in basso. Soluzione: Raddrizza le punte sulla sagoma C perché siano sullo stesso asse e passino per il centro della bobina; stringi le spire allentate.
• La pila si scalda molto — Le due punte sono carteggiate per intero: c'è un cortocircuito permanente. Soluzione: Togli la bobina, lascia raffreddare la pila e colora metà di una punta con il pennarello indelebile.
• La bobina salta ed esce dalle graffette — Occhielli troppo aperti o bobina decentrata che vibra. Soluzione: Chiudi gli occhielli a Ø 2–3 mm ed equilibra la bobina: raddrizza le punte sulla sagoma C finché stanno sulla stessa linea, così gira senza vibrare.
• Gira molto piano o fa fatica a partire — Magnete lontano o debole, pila scarica o attrito negli occhielli. Soluzione: Avvicina la bobina a 1–2 mm dal magnete o impila 2 magneti; cambia la pila; pulisci gli occhielli con la carta vetrata.

Sicurezza

• I magneti al neodimio sono pericolosi se ingeriti (possono attrarsi attraverso l'intestino): fuori dalla portata dei bambini sotto i 6 anni e degli animali; conta i magneti quando li riponi.
• Non avvicinare i magneti al neodimio a cellulari, tessere, pacemaker o orologi. Per separarli, falli scivolare: se si scontrano possono pizzicare le dita o rompersi in schegge.
• Il circuito è quasi un cortocircuito: la pila, le graffette e il filo si scaldano. Massimo 1–2 minuti di fila e togliere la bobina alla fine. Non usare mai pile a bottone al litio né batterie di cellulare.
• Le punte del filo e delle graffette pungono: tagliale con le pinze rivolte verso il tavolo e usa occhiali se tagli vicino al viso.
• Lavati le mani dopo aver carteggiato lo smalto.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando l'elettricità scorre in un filo avvolto, il filo diventa una calamita, come una calamita invisibile a forma di ruota. Il magnete sotto spinge e tira questa ruota e la fa girare. Ma se l'elettricità restasse sempre accesa, la ruota si fermerebbe rivolta verso il magnete, come una bussola che punta a nord. Per questo carteggiamo solo mezza punta: l'elettricità si accende per mezzo giro e si spegne per l'altra metà, e in quel mezzo giro la ruota continua a girare da sola per lo slancio, come un'altalena che spingi solo nel momento giusto.

Per l'adulto

Una spira percorsa da una corrente I ha un momento magnetico μ = N·I·A, perpendicolare al suo piano (qui N = 15, A ≈ 2 cm²). Nel campo B del magnete (≈ 0,1–0,3 T a 2 mm da un disco al neodimio) subisce una coppia τ = μ × B che tende ad allineare μ con B, cioè a lasciare la bobina sdraiata. La bobina gira attorno all'asse formato dalle sue punte, che giace nel suo piano; la coppia è massima quando la bobina è in piedi (μ orizzontale) e nulla quando è sdraiata. Se la corrente circolasse sempre, la bobina oscillerebbe attorno all'equilibrio. La punta carteggiata a metà agisce da commutatore: c'è contatto solo durante il mezzo giro in cui la coppia spinge nel senso di rotazione (centrato sulla bobina verticale) e si interrompe nell'altra metà, che la bobina percorre per inerzia. Per questo bisogna carteggiare con la bobina in piedi: se si carteggia sdraiata, il contatto si centra sulla posizione di equilibrio e la coppia in media si annulla. I motori commerciali risolvono lo stesso problema con un collettore a lamelle e spazzole che invertono la corrente invece di interromperla. La resistenza della bobina è piccola (90 cm di rame da 0,5 mm ≈ 0,08 Ω), quindi la corrente è limitata dalla resistenza interna della pila e dai contatti: 2–4 A negli impulsi, il che scalda la pila e la scarica in pochi minuti. Invertire il magnete inverte B e con esso il verso della coppia.

• bobina: filo avvolto in spire che, con la corrente, si comporta come un magnete.
• smalto: strato sottile di vernice che isola il filo perché la corrente non salti tra le spire.
• commutatore: parte del motore che interrompe o inverte la corrente nel momento giusto di ogni giro.
• campo magnetico: zona attorno a un magnete dove si sentono le sue forze.
• inerzia: tendenza di un oggetto che gira a continuare a girare.

Per età

• 5–7 anni: Troppo delicato perché lo facciano da soli. L'adulto prepara la bobina carteggiata e le graffette; il bambino posiziona il magnete, mette la bobina e la avvia, e prova a capovolgere il magnete. Concentrati su «l'elettricità trasforma il filo in una calamita».
• 8–10 anni: Fanno la bobina, carteggiano la punta intera e montano le graffette con la dima. L'adulto supervisiona la mezza punta e la piegatura degli occhielli. Lascia che scoprano da soli che cosa succede se la bobina è storta.
• 11–12 anni: Montaggio completo in autonomia. Sfida: misurare i giri al secondo con il rallentatore, fare una tabella delle spire della bobina rispetto alla velocità e spiegare con un disegno perché bisogna carteggiare con la bobina in piedi.

In gruppo o in classe

Coppie, un motore per coppia (≈ 2 € di filo e magnete per motore, i magneti si riutilizzano). Prima: tagliare 90 cm di filo per coppia, preparare 2 graffette per coppia e avere 10 pile di scorta. Sessione di 60 min: 10 min di dimostrazione con un motore già funzionante, 35 min di montaggio, 15 min di prove ed esperimento del magnete capovolto. Allestisci una «stazione di riparazione» con pinze, carta vetrata e la sagoma C dove un adulto aiuta a equilibrare le bobine. Raccogli e conta i magneti alla fine.

Sfide

• Costruisci un motore che funzioni con la bobina avvolta su un pennarello grosso (Ø 20 mm). Ti servono più o meno spire?
• Costruisci un motore che giri per 1 minuto di fila senza fermarsi né saltare.
• Attacca alla bobina una bandierina di carta di 2 × 1 cm: continua a girare? Quanto peso regge prima di fermarsi?
• Progetta un supporto che permetta alla pila di stare in piedi e alla bobina di girare in orizzontale sopra il magnete.

Altri progetti gratis

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

Vedi tutti i progetti