Trenino a pila e magneti

Cosa imparerà

• Che una corrente elettrica che scorre in una bobina crea un campo magnetico (è un elettromagnete).
• Che il circuito si chiude attraverso i magneti e solo attraverso le spire che si trovano tra di essi: l'elettromagnete «viaggia» con il trenino.
• Che l'orientamento dei poli decide tutto: poli uguali verso l'esterno, il trenino avanza; uno al contrario, resta fermo; il trenino girato, va all'indietro.
• A misurare una velocità (distanza ÷ tempo) e a mettere in relazione il numero di spire per centimetro con la forza.

Prepara prima

• Verifica che il filo sia nudo: grattalo con l'unghia o con la carta vetrata; se viene via una vernice rossastra o cambia colore, è smaltato e non va bene.
• Stampa il righello del passo e il canale al 100 % (verifica la linea rossa di 50 mm nell'intestazione).
• Segna i magneti prima della sessione (passaggio 5) e conservali separati su una striscia di cartone.
• Tieni pronta una pila AAA nuova e una di ricambio: con una pila scarica il trenino si muove appena.
• Avvolgi tu stesso una bobina di prova prima di farlo con i bambini, per conoscere il passo che funziona con il tuo filo.

Materiali e attrezzi

• Filo di rame nudo — 3 m (meglio 5 m) da comprare
  Ø 0,8–1 mm (AWG 18–20), senza vernice né smalto, pulito e lucido
• Magneti al neodimio — 2 (o 4 se sono sottili) da comprare
  dischi Ø 12–12,7 mm × 6–10 mm, N35 o superiore, nichelati (conducono l'elettricità)
• Pila ministilo AAA alcalina — 1 (+1 di ricambio)
  1,5 V, alcalina nuova (Ø 10,5 × 44,5 mm). Non usare pile al litio né ricaricabili (danno ancora più corrente e si scaldano di più)
• Pila stilo AA (solo come forma) — 1
  Ø 14,5 mm: su di essa si avvolge la bobina
• Cartoncino sottile o cartoncino — 1 striscia di 25 × 6 cm
  per il canale che tiene dritta la bobina
• Spugnetta abrasiva verde o carta vetrata fine — 1 pezzo
  per pulire il filo se è scurito
• Nastro adesivo — 20 cm
  per fissare le estremità della bobina al canale

Attrezzi

• Pinze a becco e tronchesine — tagliare il filo e piegarne le estremità adulto
• Righello — misurare il passo delle spire e la lunghezza del tunnel
• Cronometro (telefono) — misurare la velocità
• Pennarello indelebile — segnare le facce dei magneti

Pezzi e sagome

• A · Righello del passo (2,5 mm per spira) ×1 — carta o cartoncino
• B · Canale di appoggio della bobina ×1 — cartoncino 200 g/m² o cartoncino sottile
• C · Filo della bobina ×1 — filo di rame nudo Ø 0,8–1 mm

Passo passo

1. Pulisci il filo

   Srotola 3 m di filo di rame nudo e passaci sopra la spugnetta o la carta vetrata per tutta la lunghezza, se è scuro. Deve diventare lucido, del colore di una moneta di rame nuova.

   Verifica: Gratta un punto con l'unghia: non deve venire via nessuno strato di vernice.

2. Avvolgi la bobina

   Tieni fermi con il pollice 3 cm di filo sulla pila AA (la forma) e avvolgi il resto attorno, una spira attaccata all'altra, tirando perché resti stretto. Otterrai circa 60 spire in 5–6 cm, più della lunghezza della pila (5 cm): quando le spire arrivano all'altra estremità, fai scivolare quelle già fatte da quel lato, così escono dalla pila, e continua ad avvolgere sulla parte libera.

   Trucco: Gira la pila con una mano e guida il filo con l'altra, come se avvolgessi filo su un rocchetto. Un pennarello grosso di Ø 14–15 mm, più lungo della pila, ti evita di dover far scivolare le spire.

3. Togli la forma adulto

   Sfila la pila AA dalla bobina, girandola un po' nel senso opposto all'avvolgimento perché esca senza deformare le spire. Taglia con le pinze le due estremità lasciando 1 cm dritto.

   Verifica: Guarda dentro il tunnel: è rotondo, di circa 16 mm di diametro, senza spire schiacciate.

4. Allunga le spire

   Tira delicatamente le due estremità finché la bobina misura circa 15 cm. Mettila accanto al righello del passo A e correggi con le dita finché c'è una spira ogni 2,5 mm.

   Verifica: Guarda la bobina in controluce: tra due spire si vede uno spazio. Nessuna spira tocca quella vicina.

5. Segna i magneti adulto

   Avvicina i due magneti (si attaccheranno da soli formando un cilindro). Con il pennarello, fai un punto sulle due facce che restano all'esterno, sopra e sotto. Separali facendoli scivolare di lato, mai tirando.

   Trucco: Le due facce con il punto sono poli opposti: così saprai come metterli nel passaggio successivo.

6. Monta il trenino adulto

   Metti un magnete sul polo + della pila AAA con il punto VERSO L'ESTERNO. Metti l'altro sul polo − con il punto VERSO L'INTERNO (a contatto con la pila). Restano attaccati da soli all'acciaio della pila: non usare colla.

   Verifica: Avvicina il trenino al trenino di un compagno o a un magnete libero: le due estremità del trenino si comportano allo stesso modo (tutte e due attraggono o tutte e due respingono lo stesso magnete).

7. Prepara il canale

   Ritaglia il pezzo B, segna le due pieghe a 18 e 38 mm e piegalo a U. Metti la bobina allungata sul fondo del canale e fissa ogni estremità con un pezzetto di nastro.

   Verifica: La bobina resta dritta, senza curve, e il canale appoggia piatto sul tavolo.

8. Verifica il passaggio

   Senza la pila nuova, monta i magneti su una pila AAA scarica (tiene i magneti ed entra come quella nuova) e falla passare nel tunnel per vedere che l'insieme di 57 mm passi da un capo all'altro senza impigliarsi in nessuna spira. Se non hai pile scariche, salta questa prova e controlla il passaggio alla prima partenza.

   Verifica: Se si incastra, togli il trenino e premi da fuori con due dita la spira che rientra verso l'interno finché torna rotonda.

9. Prima partenza adulto

   Infila il trenino con la pila nuova da un'imboccatura del tunnel, spingendo con una matita di legno finché i due magneti sono dentro la bobina. Lascialo: deve schizzare fuori dall'altra estremità in meno di 1 secondo.

   Verifica: Se esce all'indietro (da dove è entrato), gira tutto il trenino e riprova dalla stessa imboccatura.

10. Se non si muove adulto

    Togli il trenino e gira UNO dei due magneti. Se nemmeno così va, cambia la pila con una nuova e ricontrolla con il righello che nessuna spira ne tocchi un'altra.

    Trucco: L'orientamento è tutto. Con i due poli uguali verso l'esterno, le due forze si sommano.

11. Togli sempre il trenino adulto

    Dopo ogni viaggio, togli il trenino dalla bobina e stacca un magnete dalla pila. Lascia raffreddare 1 minuto ogni 5 viaggi e tocca la pila: se è calda, aspetta.

Funziona? La prova

Con una pila AAA nuova, cronometra 5 viaggi nel tunnel di 15 cm (da quando lo lasci a quando esce) e calcola la velocità = 0,15 m ÷ tempo.

Cosa deve succedere: Il trenino attraversa i 15 cm in 0,3–1 s (0,15–0,5 m/s) ed esce lanciato per qualche centimetro. Se le spire sono troppo vicine o la pila è scarica, va piano o si ferma dentro.

Se qualcosa non va

• Il trenino entra e resta fermo — I magneti sono in posizione di attrarsi (poli diversi verso l'esterno): le due forze si annullano. Soluzione: Gira uno dei magneti. Controlla con il punto segnato: uno con il punto fuori e l'altro con il punto dentro.
• Esce all'indietro — Il verso della spinta dipende da dove è rivolto il trenino (l'orientamento dei magneti) e dal verso dell'avvolgimento, non dall'imboccatura da cui entra. Soluzione: Gira tutto il trenino e infilalo di nuovo dalla stessa imboccatura (oppure, senza girarlo, infilalo dall'imboccatura opposta).
• Non succede niente con nessun orientamento — Filo smaltato od ossidato, spire che si toccano o pila scarica. Soluzione: Carteggia un pezzo: se viene via della vernice, cambia il filo. Separa le spire con il righello del passo e usa una pila nuova.
• Si incastra a metà del tunnel — Una spira schiacciata o il tunnel troppo stretto per i magneti. Soluzione: Togli il trenino e arrotonda la spira premendola da fuori con due dita; se il problema è generale, riavvolgi la bobina su una forma di 15–16 mm.
• Va molto piano — Passo troppo grande (poche spire per cm) o magneti deboli. Soluzione: Comprimi la bobina a un passo di 2 mm o usa magneti più spessi (Ø 12 × 10 mm).
• La pila si scalda molto — È in cortocircuito attraverso il filo mentre il trenino è dentro. Soluzione: Togli il trenino dopo ogni viaggio; fai pause tra una serie e l'altra; non lasciare mai il trenino fermo dentro.

Sicurezza

• Magneti al neodimio: pizzicano con forza e si spezzano in schegge se si scontrano. Separali facendoli scivolare, non tirando. Se un bambino ne ingoia due, pronto soccorso immediatamente.
• La pila lavora in cortocircuito (1–3 A) e si scalda: non lasciare mai il trenino dentro la bobina, toglilo dopo ogni viaggio e non usare pile al litio, ricaricabili né da 9 V.
• Le estremità del filo tagliato pungono: piegale a uncino con le pinze e tienile sempre lontane dagli occhi.
• Tieni i magneti lontani da telefoni, carte bancarie, pacemaker e computer.
• Pila calda o gonfia: toglila e portala nel contenitore per la raccolta delle pile.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando il trenino entra nel tunnel, i magneti toccano il filo e l'elettricità della pila corre nelle spire di rame che si trovano proprio tra di loro. Quelle spire diventano una calamita invisibile che spinge un magnete e tira l'altro, tutti e due dalla stessa parte. Siccome il trenino si muove, il pezzo di filo che fa da calamita si muove con lui: il trenino si porta sempre dietro la sua spinta, come un surfista che viaggia con la sua onda.

Per l'adulto

I magneti al neodimio nichelati sono conduttori e, essendo più larghi della pila, sono l'unica cosa che tocca la bobina. La corrente esce dal polo +, passa nel magnete anteriore, percorre le spire situate tra i due magneti e torna attraverso il magnete posteriore al polo −. Quel tratto di bobina si comporta come un solenoide corto che genera un campo assiale B ≈ μ₀·n·I (con n ≈ 400 spire/m e I ≈ 2 A, circa 1 mT). I magneti, orientati con poli uguali verso l'esterno, si trovano alle estremità di quel solenoide, dove il campo non è uniforme: uno viene respinto e l'altro attratto, ed entrambe le forze puntano nello stesso verso. Se un magnete viene invertito, le forze si oppongono e si annullano. Poiché il solenoide attivo è sempre il tratto compreso tra i magneti, si sposta con il trenino: la forza è continua. La resistenza del circuito è molto bassa (qualche decina di mΩ nel rame più la resistenza interna della pila, ≈ 0,3–0,5 Ω), quindi la pila lavora quasi in cortocircuito: eroga 1–3 A e si scarica in pochi minuti. Se le spire si toccano, la corrente prende la via diretta e smette di circolare nelle spire. Anche se spesso si parla di «induzione», qui non è l'aspetto essenziale: la spinta è la forza di un elettromagnete su magneti permanenti (anche se il movimento induce effettivamente correnti che frenano leggermente il trenino).

• solenoide: bobina lunga di filo che, percorsa da corrente, si comporta come una calamita.
• elettromagnete: calamita che funziona solo mentre passa corrente elettrica.
• polo: ciascuna delle due estremità di una calamita (nord e sud).
• cortocircuito: percorso molto facile per la corrente: ne passa tanta e la pila si scalda e si scarica in fretta.
• conduttore: materiale in cui l'elettricità passa bene, come il rame o il nichel dei magneti.

Per età

• 5–7 anni: Sconsigliato se non come dimostrazione: l'adulto costruisce e monta il trenino; i bambini lo lasciano andare nel tunnel e contano quanto ci mette. Magneti sempre in mano all'adulto.
• 8–10 anni: Avvolgono, allungano e preparano il canale; l'adulto monta i magneti sulla pila. Lascia che scoprano da soli che cosa succede girando un magnete o tutto il trenino.
• 11–12 anni: Montano tutto con supervisione, misurano velocità, confrontano passi delle spire e spiegano con un disegno perché il circuito passa solo per le spire tra i magneti.

In gruppo o in classe

Squadre da 3, un trenino per squadra (≈ 3–4 € tra magneti e filo). Prima: tagliare il filo in tratti da 3 m, segnare i magneti e montare i trenini (li maneggia solo l'adulto), stampare righelli del passo e canali. Sessione da 50 min: 10 min di dimostrazione, 20 min di bobine, 20 min di gare cronometrate. Tieni 4–5 pile AAA di ricambio e una scatola per le pile calde.

Sfide

• Fai un tunnel di 50 cm con 10 m di filo e misura se il trenino mantiene la velocità.
• Piega la bobina lunga in un cerchio di 30 cm di diametro perché il trenino giri in tondo (servono circa 20 m).
• Progetta un vagone di cartoncino leggerissimo che il trenino possa spingere all'uscita.
• Costruisci una stazione: una rampa all'uscita del tunnel che freni il trenino senza farlo cadere.

Altri progetti gratis

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• Graffetta sospesa da un magnete
• Elettromagnete con interruttore
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