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Come detto in precedenza, ci sono dei legami molto forti tra fenomeni elettrici e magnetici. Anzi, possiamo dire che i due tipi di fenomeno sono, in realtà, in certi contesti, le due facce della stessa medaglia. Vedremo ora alcuni esperimenti classici che dimostrano lo stretto collegamento tra i due fenomeni e che hanno portato alla formulazione del concetto di elettromagnetismo, che tanta parte ha avuto nel progresso tecnologico e nel rivoluzionare la nostra vita, rendendo accessibile a tutti l’utilizzo di energia elettrica e di una gran quantità di apparecchi che la utilizzano.
Il fisico danese Hans Christian Ørsted realizzò un esperimento, che è quello che vediamo in questa immagine e che è divenuto ormai classico. Si accorse che un filo elettrico percorso da una corrente, ovvero da un movimento di particelle cariche, oltre a generare un campo elettrico, genera anche un campo magnetico. In questa animazione vediamo, infatti, una bussola; vediamo che il suo ago punta a nord normalmente, ovvero si orienta, come già visto, secondo le linee di forza del campo magnetico terrestre. Se però lo avviciniamo ad un circuito elettrico, vedete dove nel filo passa della corrente, vediamo il movimento degli elettroni; ecco che osserviamo una deviazione dell’ago: cioè l’ago si sposta, non indica più il nord, ma si orienta secondo le linee di forza del campo magnetico prodotto dalla corrente. Se apriamo il circuito, vediamo di nuovo: non passa più corrente e quindi la bussola si orienta secondo il campo magnetico terrestre. Quindi, cariche elettriche ferme producono soltanto un campo elettrico; al contrario, cariche elettriche in movimento, ovvero una corrente elettrica – bene, cariche elettriche in movimento, oltre ad un campo elettrico, producono anche un campo magnetico, che è in grado di far deviare la direzione dell’ago di una bussola, una volta che viene adesso avvicinata nella parte destra dell’immagine.
Ora vedremo il video di un momento; vediamo anche quali sono le linee di forza e vediamo che, anche in questo caso, come negli esperimenti sul magnetismo dell’altro video a cui vi rimando, è possibile, utilizzando della polvere di ferro, visualizzare le linee di forza del campo magnetico prodotto da un filo. Vediamo che qui il filo elettrico è stato fatto passare bene attraverso un foro in un foglio di carta. Ora vediamo cosa succede quando lo sperimentatore distribuirà bene questa polvere di ferro sul foglio e quando faremo partire la corrente elettrica, cioè quando collegheremo il filo ad un generatore e in esso inizierà a passare delle corde della corrente. Vediamo che questa polvere di ferro sparsa sul foglio disegnerà, come abbiamo già visto nel caso della calamita nel video precedente, disegnerà quelle che sono le linee di forza, che in questo caso sono delle circonferenze: ecco, già le cominciamo a vedere dalla disposizione della limatura di ferro. Sono delle circonferenze concentriche tra di loro e che hanno come centro il foro nel foglio attraverso cui passa il filo elettrico.
Se anziché utilizzare un singolo filo utilizziamo, ad esempio, degli avvolgimenti, come questo avvolgimento ad anello che attraversa, vedete in verticale, questo piano di plastica, ecco, sempre tramite, diciamo, la limatura di ferro possiamo andare a vedere come quali sono le linee di forza, diciamo, prodotte da una distribuzione più complessa, ad esempio da un filo avvolto ad anello, quindi non un singolo filo. Ecco, vediamo quando facciamo passare della corrente: ancora inizialmente vediamo la limatura ancora sparsa, ma tra poco vedremo, in questa particolare disposizione del filo elettrico, quali sono le linee di forza del campo magnetico prodotto. Ecco, questo esperimento, diciamo questa serie di esperimenti, mettono in evidenza, da partire da quello di Ørsted del singolo filo fino a quelli che stiamo vedendo, quello che viene chiamato l’effetto magnetico della corrente. Ecco, già vediamo che la limatura si orienta, che produce delle linee di forza all’interno dell’anello; nella regione interna sono quasi tra di loro parallele. Quindi possiamo dire che, se noi volgiamo il filo in questa maniera, si produce un campo magnetico che è più intenso, ovvero linee di forza più apprezzate, più dense nella regione che attraversa l’anello. Ed ecco qui lo schema delle linee di forza prodotte da questo avvolgimento circolare.
In maniera ancora più evidente noi vediamo tutto questo se, invece, avvolgiamo il filo elettrico, vedete sempre attraverso un piano di plastica su cui verrà sparsa la polvere di ferro, però stavolta andiamo a creare questo avvolgimento di filo elettrico a forma di molla, che si chiama solenoide. In questo caso possiamo controllare ancora di più il campo magnetico che viene prodotto nel momento in cui il solenoide viene attraversato da una corrente elettrica, perché in questo caso, tra poco vedremo come si dispone la polvere di ferro e vedremo che si forma un campo magnetico molto intenso e molto concentrato nella zona interna all’avvolgimento e con delle linee di forza che sono praticamente, possiamo dire, parallele. Ecco qui vediamo che all’interno dell’avvolgimento a solenoide la polvere di ferro si è disposta in modo da formare delle linee parallele. Quindi, utilizzando un avvolgimento di questo tipo riusciamo a creare un campo magnetico molto molto concentrato e intenso, soprattutto nella regione interna a questo tipo, diciamo, di disposizione che si chiama a disposizione a solenoide o bobina. Questo fenomeno, e con cui ora vediamo nello schema il campo magnetico prodotto da un solenoide, molto intenso soprattutto nella regione interna. Allora ecco qui di nuovo: rivediamo lo schema del campo magnetico prodotto da un avvolgimento di filo fatto in questo modo: debole all’esterno e intenso e linee di forza parallele all’interno.
Questa particolare configurazione di campo magnetico prodotto da una corrente è sfruttata per la produzione di elettrocalamite, che, come vediamo in questo esperimento, si ottengono inserendo una barra, cilindro di ferro, in un solenoide, un avvolgimento di filo elettrico, basta un chiodo; vediamo, una volta collegato ad un generatore di corrente, cioè ad una batteria, il chiodo, inizialmente non magnetico, si magnetizza ed è in grado di attrarre altri oggetti metallici. Una calamita non naturale, ma prodotta in questo modo, cioè per effetto magnetico della corrente, viene chiamata elettrocalamita. Le elettrocalamite possono anche produrre un campo magnetico più intenso, più forte rispetto ai magneti cosiddetti naturali.
Adesso introduciamo un altro grandissimo, un altro importantissimo nome che che ha dato un contributo fondamentale alla teoria elettromagnetica e anche a quello che poi al modo in cui è stata utilizzata per rivoluzionare la nostra vita e produrre facilmente corrente: cioè il nome di Michael Faraday, che è un nome tra i più importanti della storia della scienza e che è strettamente legato a quello dell’elettromagnetismo, in quanto realizzò un esperimento realmente fondamentale, che è quello che vediamo in questa immagine, che è un esperimento per molti versi speculare a quello di Ørsted, cioè che somiglia a quello di Ørsted dell’effetto magnetico visto allo specchio; ovvero, dato che Ørsted aveva dimostrato che cariche elettriche in movimento producono un campo magnetico, voleva riuscire a verificare se lo stesso si può dire del contrario, ovvero se un campo magnetico in movimento, quindi una calamita mobile, è in grado di generare una corrente elettrica. Quindi fece un esperimento, che è quello che vediamo in quell’immagine, è che vediamo riprodotto in questo video: prese del filo elettrico, un tratto del quale avvolto ad anello oppure anche a solenoide e lo collego ad un amperometro, strumento che misura la corrente elettrica. Ovviamente, in assenza di generatori, lo strumento rilevava l’assenza di corrente elettrica, ma guardate che succede quando avviciniamo una calamita e la facciamo muovere avanti e indietro: notate tutti che c’è una deflessione dell’ago indicatore dello strumento nel momento in cui la calamita è in movimento. Osserviamo il passaggio di una debole corrente elettrica; nel momento in cui la calamita viene fermata non passa più corrente. Vedete adesso vediamo lo sperimentatore che muoverà avanti e indietro la calamita e guardate come si muove l’ago dell’amperometro. Quindi, in assenza di un generatore, ovvero di una batteria, è stata prodotta una corrente elettrica semplicemente muovendo avanti e indietro una calamita naturale all’interno di un avvolgimento di filo elettrico; nel momento in cui cessava il movimento della calamita tornava a 0 anche la corrente elettrica.
La scoperta di questo fenomeno importantissimo, che chiamato induzione elettromagnetica, ha rivoluzionato tutta la storia tecnologica dell’umanità, in quanto ha reso molto semplice la produzione di corrente elettrica. Per l’esattezza, di un tipo di corrente in cui il verso del movimento degli elettroni si inverte periodicamente, ovvero in questo modo si produce facilmente quella che viene chiamata corrente alternata. C’è un motivo per cui la corrente che arriva nelle nostre case non è continua ma alternata: perché tramite questo fenomeno dell’induzione, riprodotto su grande scala, è più facile produrre, trasportare una corrente di questo tipo che poi, una volta arrivata ai dispositivi che la utilizzano nelle nostre case, tramite dei trasformatori viene convertita in corrente continua. Come si fa a produrre una corrente di questo tipo? Come vediamo in questo video, è sufficiente porre un circuito in movimento di rotazione all’interno di un potente campo magnetico molto concentrato; parliamo di calamite enormi e ripiegate ad U nelle centrali elettriche e quindi n è sufficiente porre in rotazione, vedete il circuito che vediamo rosso-blu, all’interno di questo potente campo magnetico, perché in esso si genera una corrente elettrica trasportabile a distanza. È sufficiente che uno dei due campi, che o il circuito o la calamita, sia in movimento relativo l’uno rispetto all’altro: elettricità, magnetismo e movimento o moto sono strettamente collegati; quando si verificano due, quando sono presenti due di queste tre cose, automaticamente viene prodotta la terza. Quindi non è necessario che la calamita si stia muovendo all’interno del circuito; anche un circuito in movimento rotazionale all’interno di un potente magnete fisso viene attraversato da una corrente elettrica alternata, dove il verso di movimento degli elettroni si inverte periodicamente.
In che modo è possibile produrre una corrente, un movimento di questo tipo fisso e costante su grande scala? L’energia per porre il circuito in rotazione può provenire da fonti naturali, ad esempio come vediamo nella prossima immagine. Ecco qui: questo è di nuovo, vediamolo: l’oscilloscopio, quella corrente alternata e vediamo che in qualche modo il circuito è posto in rotazione all’interno di questa calamita; i poli devono essere molto ravvicinati in modo che il campo magnetico in quella zona tra due poli sia molto intenso, e questa è la possibile fonte naturale che produce questo tipo di movimento. Qui vediamo un esempio di centrale idroelettrica: in questo caso è l’energia meccanica dovuta all’acqua che fa un corso d’acqua presso rapide e cascate, come vediamo anche nello schema, oppure attraverso dighe artificiali a mettere in rotazione delle turbine, delle quali a loro volta sono collegate, vedete a destra, vediamo generatori e trasformatori; le turbine sono collegate a circuiti posti all’interno di potenti campi magnetici e questo genera della corrente elettrica. Ancora, questo è un esempio invece di centrale termoelettrica, in cui l’energia termica legata al riscaldamento di combustibili in una caldaia oppure direttamente al calore interno della terra; sappiamo, dalle scienze della terra, della geologia, che la terra è molto calda all’interno e in alcune zone abbiamo delle emissioni di vapore, ad esempio il caso dell’Islanda, dove abbiamo una terra vulcanica che sotto è ribollente; questo vapore dei geyser è sufficiente a mettere in rotazione delle turbine collegate poi a degli alternatori che producono energia elettrica. In Islanda il processo avviene su così vasta scala che è in grado di alimentare addirittura delle serre riscaldate dove si coltivano degli ortaggi che non è possibile in quelle zone coltivare all’aria aperta. In questo caso parliamo di centrali geotermiche, cioè che convertono il calore, e anche il calore sappiamo che è una forma di movimento, in energia elettrica. Ancora, in alcune zone particolarmente interessate da venti costanti, intensi e piuttosto aperte, abbiamo visto sicuramente queste gigantesche costruzioni che si chiamano pale eoliche; in questo caso il movimento del vento che mette in rotazione queste enormi eliche, le quali, come negli altri tipi di centrale visti in precedenza, poi sono collegate a delle turbine che pongono in rotazione circuiti all’interno di grandi calamite, di enormi e intensi e potenti magneti e producono la corrente elettrica alternata che poi viene trasportata fino alle nostre case. Se avete trovato questo video interessante, iscrivetevi al canale “Il Signore delle Scienze”, attivate la campanella di notifica, condividete questo ed altri video se volete, diciamo, conoscere altre curiosità legate o vedere altri video didattici legati al mondo delle scienze o della matematica; consiglio anche il canale dell’amico e collega Stefano Panigutti. Alla prossima!