Motore senza spazzole con pila e magnete

Cosa imparerà

• Che una corrente elettrica dentro un campo magnetico subisce una forza (forza di Lorentz) e che questa è la base di tutti i motori.
• Che il circuito deve essere chiuso: pila (+) → filo → magnete (conduttore) → pila (−).
• Che il senso di rotazione dipende dal verso della corrente e dall'orientamento del magnete (capovolgere il magnete inverte la rotazione).
• Che un cortocircuito fa passare molta corrente e la trasforma in calore: per questo si scalda e bisogna farlo funzionare per brevi momenti.
• Che equilibrio e simmetria riducono l'attrito e permettono a una forza piccola di muovere un pezzo.

Prepara prima

• Verifica che il magnete sia al neodimio nichelato (argento lucido): quel rivestimento conduce l'elettricità. I magneti neri o grigio opaco (ferrite) non conducono e non vanno bene.
• Stampa al 100 % la sagoma A e incollala su cartoncino. Verifica che il cuore sia largo 48 mm.
• Taglia 30 cm di filo e raddrizzalo facendolo scorrere tra le dita. Se è smaltato, carteggia 1 cm di ogni punta e 5 mm al centro.
• Tieni il magnete lontano da cellulari, carte, orologi e altri magneti; se ne hai diversi, separali con un pezzo di cartone.
• Spiega prima la regola di sicurezza: il cuore si toglie appena la pila si scalda e mai per più di 15 s di fila.

Materiali e attrezzi

• Pila stilo AA alcalina nuova — 1 (meglio 2)
  1,5 V, alcalina; NON ricaricabile NiMH né al litio (danno troppa corrente e si scaldano di più)
• Magnete al neodimio a disco — 1 da comprare
  Ø 18–20 mm × 3–5 mm, nichelato (argento lucido), N35 o superiore
• Filo di rame nudo — 30 cm (comprane 1 m per le prove) da comprare
  Ø 0,8–1,2 mm, senza vernice né plastica
• Cartoncino — 1 pezzo da 8 × 10 cm
  per la sagoma di piegatura (A)
• Carta vetrata fine — 1 pezzo da 3 × 3 cm
  grana 180–240, per pulire le punte del filo

Attrezzi

• Pinze a becchi sottili — piegare il cuore e la «V» d'appoggio
• Tronchesine — tagliare 30 cm di filo e accorciare le punte adulto
• Pennarello — segnare il centro del filo (15 cm)
• Cronometro — controllare turni di 10–15 s e contare i giri

Pezzi e sagome

• A · Sagoma di piegatura del cuore ×1 — cartoncino
• B · Filo di rame nudo ×1 — filo di rame Ø 1 mm

Passo passo

1. Controlla pila e magnete

   Usa una pila stilo AA alcalina nuova (1,5 V) e un magnete al neodimio argentato di Ø 18–20 mm. Avvicina il magnete al polo − (la parte piatta) e lascia che salti e si attacchi centrato sotto la pila.

   Verifica: Il magnete sporge 2–3 mm intorno alla pila da tutti i lati. Se è più stretto della pila, non funzionerà.
   Trucco: Tieni forte il magnete mentre lo avvicini: salta e può pizzicarti.

2. Metti la pila in piedi

   Metti la pila in piedi sul tavolo, appoggiata sul magnete, con il polo + (il bottoncino) in alto. Se il tavolo ha parti di metallo, appoggiala su un cartone così il magnete non si sposta.

3. Taglia e segna il filo adulto

   Taglia 30 cm di filo di rame nudo da 1 mm e raddrizzalo. Segna il centro, a 15 cm, con il pennarello. Se il filo è smaltato, carteggia bene 1 cm di ogni punta e 5 mm al centro finché non brilla.

4. Fai la V d'appoggio

   Con le pinze a becchi, stringi il filo proprio sul segno del centro e fai una piccola punta verso il basso, profonda circa 3 mm. Poi alza i due bracci verso l'alto, poco distanti tra loro: partono quasi verticali dalla punta, come la linea marrone della sagoma A. Quella punta (la V) è l'unica cosa che toccherà il polo +.

   Verifica: Metti la V sul punto rosso della sagoma: la punta guarda in basso e i due bracci salgono vicini, quasi verticali all'inizio, seguendo la partenza della linea marrone.

5. Piega i lobi

   Seguendo la sagoma A, curva ogni braccio verso l'alto e verso l'esterno formando i due lobi del cuore (la loro parte più alta resta 22 mm sopra la V) e portali verso il basso finché non sono verticali a 24 mm dal centro.

   Trucco: Piega i due lati insieme, uno per mano, confrontandoli: la simmetria è la cosa più importante.

6. Piega i lati e le punte adulto

   Fai scendere ogni lato dritto per 46 mm, parallelo alla pila. All'altezza del magnete, curva le punte verso l'interno finché non sono a 11 mm dal centro (1 mm fuori dal bordo del magnete). L'adulto taglia con le tronchesine quello che avanza di ogni punta.

   Verifica: Metti il cuore sulla sagoma: coincide con la linea marrone per tutto il percorso e i due lati sono uguali.

7. Verifica l'equilibrio

   Appoggia la V sulla punta di una matita tenuta in piedi. Il cuore deve restare dritto, senza pendere da un lato. Se pende, stringi un po' il lato che scende o apri l'altro di 1–2 mm.

   Verifica: In equilibrio sulla matita, le due punte restano alla stessa altezza.

8. Monta il cuore

   Appoggia la V al centro del polo + della pila. Le due punte inferiori devono restare all'altezza del magnete, sfiorandolo appena ai lati (se premono, frenano; se non toccano, non c'è circuito).

   Verifica: Guarda dall'alto: il cuore è centrato e le punte non toccano il corpo della pila.

9. Lascialo e osserva

   Lascia andare il cuore con delicatezza. In 1–2 secondi comincerà a girare intorno alla pila, sempre più veloce, fino a parecchi giri al secondo. Lascialo girare al massimo 10–15 secondi e poi toglilo.

   Trucco: Se va a scatti invece di girare, una punta tocca più dell'altra: aprila di 0,5 mm.

10. Lascia raffreddare tra un turno e l'altro adulto

    Dopo ogni turno di 10–15 s, togli il cuore e aspetta 30 secondi. Tocca la pila: se è più che tiepida, aspetta ancora. Così la pila dura molto di più e nessuno si scotta.

11. Inverti la rotazione

    Togli il cuore, stacca il magnete, capovolgilo e riattaccalo sotto la pila. Rimonta il cuore: ora gira nel senso opposto.

    Verifica: Annota il senso (orario o antiorario) prima e dopo.

12. Riponi tutto separato

    Alla fine, separa sempre il filo e il magnete dalla pila. Riponi il magnete in una scatolina, lontano da altri magneti e dai bambini piccoli, e la pila nella sua confezione.

Funziona? La prova

Con una pila alcalina nuova, un magnete di Ø 20 mm e il cuore della sagoma, lascia andare il filo e conta i giri per 10 s.

Cosa deve succedere: Parte in 1–2 s e arriva a 3–10 giri al secondo. Dopo 15–20 s la pila è tiepida. Capovolgendo il magnete gira al contrario.

Se qualcosa non va

• Non gira e non dà nemmeno scatti — Non c'è circuito: filo verniciato, magnete di ferrite (nero) o le punte non toccano il magnete. Soluzione: Carteggia le punte e il centro, usa un magnete al neodimio nichelato e avvicina le punte finché non sfiorano il magnete.
• Va a scatti e si ferma — Le punte premono troppo sul magnete o il cuore è sbilanciato. Soluzione: Apri le punte di 0,5–1 mm e verifica l'equilibrio sulla punta di una matita.
• Il cuore cade dalla pila — La V non è centrata o non ha la forma di una V. Soluzione: Rifai la V proprio al centro del filo, con la punta verso il basso, e appoggiala al centro del bottoncino +.
• Gira molto piano — Pila scarica o calda, oppure magnete debole. Soluzione: Lascia raffreddare, cambia la pila con una nuova o usa un magnete più spesso (5 mm).
• Le punte si attaccano al magnete — Il filo non è di rame (è ferro ramato o acciaio). Soluzione: Verifica con il magnete: il rame vero non si attacca. Cambia filo.
• La pila si scalda molto subito — Pila ricaricabile o al litio, oppure punte che fanno contatto continuo e stretto. Soluzione: Usa una pila alcalina, punte che sfiorano soltanto e turni di 10 s.

Sicurezza

• Il circuito è un cortocircuito: pila e filo si scaldano in 15–20 s. Turni di 10–15 s e 30 s di pausa. Non lasciarlo mai montato senza sorveglianza e non riporlo con il filo sopra.
• Usa solo pile stilo AA alcaline. Mai pile ricaricabili, al litio né batterie da 9 V: danno più corrente e possono scaldarsi fino a ustionare o perdere liquido.
• I magneti al neodimio pizzicano la pelle e si rompono in schegge se sbattono tra loro. Avvicinali piano e tienili saldamente.
• Se un bambino ingoia due magneti (o un magnete e un pezzo di ferro), possono attrarsi attraverso l'intestino: è un'emergenza medica. Tieni i magneti lontano dai bambini sotto i 6 anni.
• Tieni il magnete lontano da cellulari, carte, orologi, computer e pacemaker (almeno 15 cm).
• Le punte del filo tagliato pungono: piegale verso l'interno o arrotondale con la carta vetrata.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La pila spinge l'elettricità nel filo di rame, che scende dal bottoncino in alto fino al magnete in basso. Il magnete è circondato da una forza invisibile, il campo magnetico. Quando l'elettricità passa nel filo proprio accanto al magnete, il magnete le dà una piccola spinta di lato, sempre nella stessa direzione. Siccome il filo è appoggiato su un punto solo, come una trottola, quella spinta lo fa girare e girare. Se capovolgi il magnete, la spinta va dall'altra parte e il cuore gira al contrario.

Per l'adulto

È un motore omopolare (o di Faraday): non serve un commutatore perché la corrente non cambia mai verso rispetto al campo. La corrente esce dal polo + (1,5 V), scende lungo i due bracci del filo, entra nel magnete nichelato dai lati, lo attraversa radialmente verso il centro e torna al polo −. Vicino al magnete il campo magnetico ha una forte componente assiale e radiale (≈ 0,1–0,3 T sul bordo di un disco N35); sui tratti di corrente non paralleli a B agisce la forza di Lorentz F = I·L × B, perpendicolare a entrambi, cioè tangenziale: produce una coppia intorno all'asse della pila. Poiché il circuito non ha quasi resistenza (filo da 1 mm lungo 24 cm ≈ 5 mΩ), la corrente è limitata dalla resistenza interna della pila alcalina (≈ 0,15–0,3 Ω): 2–5 A, che dissipano 2–5 W in calore (per questo si scalda e la pila si esaurisce in pochi minuti di uso complessivo). Con I ≈ 3 A, B ≈ 0,2 T e ≈ 1 cm di tratto efficace per lato, F ≈ 6 mN, sufficiente per un filo di ≈ 2 g appoggiato su un punto con attrito minimo. La simmetria conta perché l'appoggio a V è un perno instabile: qualsiasi squilibrio aumenta l'attrito sulle punte. Capovolgere il magnete inverte B e quindi il verso della coppia.

• campo magnetico: zona intorno a un magnete in cui agisce la sua forza.
• forza di Lorentz: la spinta che riceve una corrente elettrica dentro un campo magnetico.
• circuito chiuso: percorso senza interruzioni in cui l'elettricità esce dalla pila e ci ritorna.
• cortocircuito: circuito senza niente che freni la corrente; ne passa molta e produce calore.
• perno: punto d'appoggio su cui gira un pezzo.

Per età

• 5–7 anni: Non consigliato da montare da soli (magnete al neodimio e calore). L'adulto lo monta e il bambino osserva e prevede in che verso girerà capovolgendo il magnete.
• 8–10 anni: L'adulto taglia il filo e sorveglia il magnete (a 8 anni piega anche il cuore); dai 9 anni il bambino lo piega sulla sagoma, lo bilancia e lo prova in turni di 10 s.
• 11–12 anni: Montaggio in autonomia. Sfida: disegnare il percorso della corrente e la direzione della forza (regola della mano sinistra) e progettare la propria forma di filo.

In gruppo o in classe

A coppie, un kit per coppia: 1 pila stilo AA alcalina (+1 di riserva ogni 4 coppie), 1 magnete Ø 20 mm, 30 cm di filo e la sagoma. Prima della sessione: tagliare il filo, carteggiarlo se è smaltato e controllare i magneti. Sessione di 50 min: 10 min di dimostrazione e regole (turni di 10 s, magneti separati), 30 min di piegatura e regolazione, 10 min di gara dei giri in 10 s. Alla fine raccogli i magneti contandoli.

Sfide

• Progetta una forma di filo che faccia più di 10 giri al secondo.
• Crea una figura (stella, ballerina, spirale) che continui a girare stabile.
• Costruisci due motori con il magnete orientato in modo diverso e falli girare in sensi opposti nello stesso momento.
• Scopri il «treno omopolare»: una pila con magneti a entrambe le estremità dentro una bobina di filo nudo.

Altri progetti gratis

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• Elettromagnete con interruttore
• Motore a bobina e pila
• Trenino a pila e magneti

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