articolo di Guido Pegna pubblicato su 'European Journal of physics' e su 'La Fisica nella Scuola'

Note laterali 1 - l'anello saltatore e nuove storie

ovvero come funziona il cannone elettromagnetico, con qualche conto e formula

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per la complessità dell'articolo e renderne agevole la lettura, pubblichiamo qui solo l'abstract dell'articolo di Guido Pegna, con i titoli dei capitoli e i primi paragrafi coprrispondenti e rimandiamo per il testo completo al testo in pdf scaricabile qui a lato. L'articolo in pdf è stato pubblicato in La Fisica nella Scuola, rivista dell'A.I.F, Associazione per l'Insegnamento della Fisica, di cui consigliamo il sito: http://www.aif.it per la abbondanza di materiali sulla didattica della fisica.

 G Pegna

Department of Physics, University of Cagliari, Città Universitaria, 09042 Monserrato (Ca), Italy
E-mail: pegna@unica.it


Abstract

The Thomson ring experiment is revisited with the aim of obtaining higher and higher jump heights. A new way to determine the inductance of the ring and the phase lag between the primary magnetic flux and the current in the ring is introduced. New more effective configurations are presented, up to that of a true electromagnetic cannon that fires aluminium disks with great violence. As an interesting by-product, regular geometric patterns of the iron filings used to visualize the structure of the very high magnetic fields inside the coil of the electromagnetic cannon are revealed, indicating the emergence a self-organization phenomenon typical of dissipative systems.

PACS numbers: 01.50.My, 41.20.-q

European Journal of Physics

Introduction

Il creatore di questo bell’esperimento è Elihu Thomson, (1853-1937) inventore, sperimentatore e fondatore della Thomson-Huston Electric Company; esso è noto infatti anche come l’esperimento dell’anello di Thomson. Fu eseguito per la prima volta nel 1887 ad un congresso dell’American Institute of Electrical Engineers, e da allora è
divenuto uno degli esperimenti più eseguiti quando nelle conferenze e nelle dimostrazioni si deve far vedere un fenomeno di induzione elettromagnetica. Una di queste fu eseguita da Lord Rayleygh nel 1891 a Londra ad una riunione della Royal Institution in occasione di una lezione tenuta nel centenario della nascita di Michael Faraday. Infatti l’esperimento dell’anello saltatore, il Jumping Ring, come è universalmente noto, è un concentrato di quei fenomeni elettromagnetici di cui Faraday fu lo scopritore: dalle leggi dell’induzione alle proprietà magnetiche dei materiali alle forze fra conduttori percorsi da corrente
ecc.

(...)

La spiegazione ingenua

Questa spiegazione è ricorrente, fra le tante per esempio in [9]. La corrente alternata che percorre la bobina genera una magnetizzazione variabile del nucleo. Questa induce nell’anello una corrente di corto
circuito che è assai elevata. Essa genera a sua volta un campo magnetico che per la legge di Lenz si oppone al campo del nucleo. Di conseguenza l’anello si allontana dalla bobina. Il fatto che la corrente nell’anello è
intensa può essere constatato immediatamente: se si impedisce all’anello di allontanarsi dalla sua posizione iniziale, si constata che esso si riscalda notevolmente.
È questa la spiegazione corretta?

(...)

L’esperimento classico e tentativo di spiegazione

Nella figura 2 è riportato indicativamente l’andamento delle linee di flusso del campo magnetico generato dalla corrente nella bobina primaria e nel nucleo che attraversano l’anello. Come si vede, il campo
magnetico ha componenti sia verticale che orizzontale. La componente verticale è la responsabile della corrente di corto circuito che circola nell’anello, che, come visto sopra, non ha effetto meccanico. È la componente orizzontale la responsabile dell’effetto?

(...)

la spiegazione corretta

Essa richiede il ricorso ad un elemento inaspettato: l’induttanza dell’anello, come introdotto, fra le altre, per esempio in [10], anche se la spiegazione del fenomeno ivi riportata appare secondo noi incompleta.
La corrente indotta che percorre l’anello, a causa del suo coefficiente di autoinduzione, ritarda rispetto al campo inducente. Introducendo il ritardo di fase nella espressione della corrente nell’anello data dalla
(1), la forza sarà la risultante delle due componenti (2) e (3) calcolate precedentemente nelle quali si deve introdurre il ritardo di fase

(...)

Prima variante: come far fare all’anello salti più alti: modo semplice e lineare

Come abbiamo visto (v. Appendice) la corrente richiesta dalla bobina primavere salti più alti è di aumentare l’intensità della corrente primaria. Ciò può essere ottenuto nel modo più semplice collegandoaria con l’anello in posizione di partenza è di 5,06 A ma è sfasata in ritardo di 74° rispetto alla tensione. Il modo più ovvio ...

(...)

Salti ancora più alti: forza bruta ma spiegazione esatta ancora più complicata.

Nell’apparecchio della figura 4, si può attuare un’altra strategia, più violenta. In serie alla bobina, che è la stessa del paragrafo precedente, viene inserito un condensatore di capacità molto maggiore: C = 200 μF. Con il condensatore inserito il salto può dipendere dall’istante in cui si aziona il comando “FIRE!”. In alcuni casi si ottengono salti di violenza maggiore di quelli del paragrafo precedente.

Questo esperimento fu creato dall’autore per mostrare almeno qualitativamente un fenomeno poco noto che accade in forte dipendenza dalle condizioni iniziali e che può evolvere in modo caotico (caos deterministico). Il fenomeno è conosciuto come ferrorisonanza [15].

(...)

Il cannone elettromagnetico: salti insuperabili

Si possono ottenere salti molto più violenti da un anello di alluminio con l’uso di un campo impulsato unidirezionale. L’impulso di campo magnetico indurrà un impulso di corrente nell’anello che a sua volta genererà un impulso di campo magnetico opposto unidirezionale.
Questo impulso è attivo nel fare saltare l’anello. Il fenomeno è ora provocato proprio dalla legge di Lentz. L’apparecchio, battezzato dall’autore cannone elettromagnetico per la violenza dei suoi spari ...

(...)

Conclusions- Conclusioni

Scopo del seguente lavoro è stata l’analisi approfondita dei meccanismi di funzionamento dell’esperimento dell’anello saltatore di Thomson, per ricavare nuove idee e suggerimenti su strutture elettromagnetiche adatte ad ottenere salti sempre più spettacolari.
Nell’esperimento dell’anello saltatore classico, la spiegazione del fenomeno non è quella della semplice repulsione secondo la legge di Lenz, ma è molto più sottile e quantitativamente sorprendente. Abbiamo indagato alcune nuove possibilità, che vanno dall’uso della risonanzaalla frequenza di rete, alla esplorazione delle possibilità offerte dal poco noto fenomeno della ferrorisonanza per finire con la realizzazione di un vero e proprio sistema di sparo, che abbiamo chiamato cannone elettromagnetico, basato sulla violenta e rapidissima scarica di un condensatore di alta capacità su una bobina di piccolissima resistenza e induttanza.
Infine con gli enormi flussi impulsivi che si realizzano nel cannone elettromagnetico si è osservata l’apparizione di un fenomeno inaspettato: l’auto-organizzazione spontanea della limatura di ferro, usata per visualizzare la distribuzione del flusso, in strutture ordinate simili alle celle di Benard, indice dell’apparizione di un sistema dissipativo nel senso introdotto da Prigogine.

 

 

 

 

 

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