l'esperienza di Zuoz

Report del lavoro nelle classi - il cannone elettromagnetico

come previsto, dall'anailisi dei fenomeni collegati allo show del cannone elettromagnetico nasce la necessitÓ di costruire la teoria dell'elettromagnetismo

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“A questo punto ho bisogno di una spiegazione, di una teoria, perché voglio capire la relazione tra tutte queste cose”

Questa è la frase di uno studente a metà circa della lezione con il cannone elettromagnetico. E non era un apprezzamento negativo, tutt'altro. Era il successo dell'esperimento. L'attenzione di un'intera classe era completamente agganciata, facevano ipotesi, si davano da fare per verificarle, via via si individuavano dei motivi di funzionamento. Da qui si parte per la teoria. Ma ora la teoria non è più una cosa noiosa ma una cosa necessaria. La formalizzazione simbolica diventa essenziale per poter dire di aver veramente capito cosa succede. Nello sviluppo futuro si faranno esperienze in classe su ogni singolo pezzo, la relazione fra corrente e differenza di potenziale, la corrente che genera un campo magnetico, la variazione di un campo magnetico che genera una corrente. Si farà con misure precise, si troveranno (troveranno, perché parte del lavoro dovranno farlo loro come compito in classe pratico e con votazione allegata del proprio lavoro) le relazioni quantitative. La misura fa parte della teoria. La legge di ohm non verrà data alla lavagna e poi verificata (che noia mortale per gli studenti e per gli insegnanti) ma nascerà dalle considerazioni quantitative delle misure. Ovviamente non è necessario fare tutto in laboratorio, ma la lezione teorica diventa diversa.

In classe si è proceduto, come avevamo previsto nella preparazione, con diverse linee di sequenza ma con le stesse cose che avevamo preparato. L'unica cosa diversa dal previsto: nessuno ha pensato a una molla nascosta (anche se uno aveva messo sul piatto una pietra, che ovviamente non era saltata).

Via via è stato evidente che il disco di alluminio, gli anelli di rame e di alluminio saltavano perché sotto al foglio di carta che nascondeva la bobinona del cannone eletttromagnetico, c'era qualche cosa che generava un campo magnetico improvviso e violento. Il c.m. prima non c'era, poi aveva un picco brusco e forte e poi non c'era più.

Poiché l'anello di alluminio non reagiva alla presenza di un magnete (non è un materiale ferromagnetico) voleva dire che reagiva alla variazione del c.m. (in realtà poi bisognerà introdurre la variaizone del flusso di B)

Non solo: se l'anello di rame portava un taglio, anche di pochi mm il fenomeno non succedeva. Se il disco di alluminio era quello con i tagli concentrici il fenomeno succedeva, se invece il disco di alluminio era quello con i tagli radiali o quasi il fenomeno non succedeva.

Quindi i materiali non ferromagnetici reagivano alla variazione del campo magnetico solo quando non c'erano dei tagli che interrompevano... già, che cosa impedivano i tagli?

Riassumiamo: l'anello di rame reagisce alla variazione di c.m. perché questa induce un fenomeno dentro l'anello (che non è elettrostatico, abbiamo anche dimostrato questo nella pratica sperimentale), tale fenomeno non si verifica quando c'è un taglio nell'anello. Ma cosa è questo fenomeno indotto dalla variazione di c.m.?

Si è fatto vedere anche un esperimento con un tubo di rame. Vi sono due anellini, uno è un magnete molto forte, l'altro è identico di forma e aspetto ma è fatto di alluminio.

L'insegnate prende il tubo e ci mette dentro l'anellino di alluminio, l'anellino scende a scheggia, poi porge il tubo a uno studente e con abile gioco di prestidigitazione gli fornisce iquello magnetico. Lo studente, ovviamente osserva che l'anellino impiega una vita.

Si fa un altro esperimento simile al precedente: su una guida inclinata di legno sia l'anello di alluminio, sia il magnetino scivolano senza problemi.

Se metto una striscia di alluminio l'oggetto di alluminio non ha problemi, ma quello magnetico rallenta in maniera estremamente visibile.

Ancora: se metto una striscia di alluminio con un taglio centrale e longitudinale, il magnete scivola con difficoltà nel primo pezzo (senza taglio), aumenta la velocità visibilmente nel pezzo con taglio e rallenta di nuovo nell'ultimo pezzo (senza taglio).

Il fenomeno del cannone e della striscia di alluminio e del tubo di rame apparentemente sono diversi ma c'è qualche cosa invece che li accomuna: là come qua i tagli impediscono un fenomeno.

(Ci viene a questo punto in mente di farci costruire un tubo di rame che porti dei tagli longitudinali, in qusto caso noi sappiamo che sia l'alluminio che il magnete scorreranno più o meno con la stessa velocità.. Lo faremo.)

Se il cannone genera un c.m. molto forte e improvviso, come si fa a generare il campo magnetico?

È evidente che non c'è un magnete permanente, nel cannone, abbiamo già visto che un campo magnetico costante non produce alcun effetto sul rame e sull'alluminio.

I tempi sono maturi per un'altra esperienza. Prendiamo un lungo solenoide e lo colleghiamo a un generatore di corrente. Dentro al solenoide poniamo un sensore di campo magnetico, collegato al solito computerino (non diciamo la marca perché non vogliamo fare pubblicità, soprattutto non retribuita) che registra visivamente il valore del c.m.

Quando nel solenoide non circola corrente il sensore di c.m. Rivela la presenza del campo magnetico terrestre. Il sensore è dentro al solenoide longitudinalmente e rileva eventuali campi magnetici longitudinali. In assenza di corrente è ovvio che rivela la presenza del c.m. Terrestre.

Domanda: che succede se adesso faccio passare una corrente?

Gli studenti aumentano la corrente da zero al massimo consentito dal generatore e il sensore di c.m. schizza fino a fondo scala.

Una corrente genera un campo magnetico.

Non avevamo un generatore di corrente abbastanza potente (si procederà all'acquisto proprio per questo tipo di cose), altrimenti la sequenza più logica sarebbe stata prendere un semplice filo di rame teso fra due morsetti, fagli passare dentro una forte corrente e andare ad esplorare il campo magnetico prodotto con il sensore. E mostrare, tra l'altro, che il campo magnetico perpendicolare al filo è nullo. E poi fare l'esperimento con il solenoide.

Quindi abbiamo visto con loro che era una scarica forte e improvvisa di corrente dentro la bobinona (messa teatralmente a nudo, a questo punto, e resa visibile) che generava l'improvvisa variazione di campo magnetico.

Manca ancora un pezzo.

Si prende una bobina con 700 avvolgimenti. Si collegano i capi della bobina a un tester messo in corrente e fondo scala mA. Si prende uno dei forti magneti. Che cosa succede se si fa passare il magnete all'interno del foro della bobina?

Viene il sospetto a questo punto che magari si genera una corrente.

Si fa l'esperimento e l'aghetto del tester fa i suo bravo salto, con soddisfazione del docente e degli studenti. Si comincia a capire qualche cosa del fenomeno.

E se il magnete si fa entreare più velocemente il balzo dell'aghetto è maggiore. È la velocità di variazione del c.m. A generare la corrente (manca ancora il completamento: in realtà è la derivata del flusso di B che genera la corrente, ma c'è tempo... e ci saranno altri esperimenti futuri a dimostrarlo).

Si vede anche che se avvicina l'altro polo del magnete la corrente cambia verso.

Certo, adesso che l'attenzione della classe è completamente agganciata sarà poi il momento di fare un po' di teoria, far vedere la bizzarria del senso di circolazione della corrente rispetto alla variazione del flusso. La corrente generata, genera a sua volta un c.m. che si oppone al campo magnetico esterno.

La natura ragiona così: io voglio stare tranquilla – se il flusso di c.m. è zero e se si avvicna un c.m. esterno io, spira, genero un c.m. opposto che tende disperatamente di annullare il c.m. esterno.

Ma, appunto, c'è tempo, ora.

Il fenomeno del cannone e.m è ora spiegato e gli studenti lo hanno capito benissimo.

La forte variazione di B (e del flusso di B, ma ancora non hanno gli strumenti per dirlo) provoca nell'anello una corrente. Questa corrente genera un campo magnetico che si oppone al primo. I due c.m. Si respingono e l'anello fa il salto (il fenomeno è clamoroso, perché l'anello arriva fino al soffitto...).

(piccola annotazione: tutti sono abituati a pensare alla corrente che circola in un filo, non è altrettanto intuitivo pensare a una corrente circolare in un disco pieno, eppure è un concetto importante. Anche di questo si possono fare verifiche ed esperimenti.).

(altra annotazione: è importante montare poi un esperimento, magari da far fare agli studenti, per mostrare che quello che è importante è la variazione del flusso del campo magnetico. Creando un campo magnetico che varia in una certa maniera, determinata, l'effetto aumenta linearmente aumentando con qualche artificio il flusso associato. Per esempio prima con una spira, poi con dieci spire, poi con cento e così via...)

Si finisce con il fare vedere un filmato pubblicitario della Apple, in cui a un certo punto appare una lavagna con tutte le formule fondamentali della fisica). Si vedono le equazioni di Maxwell. Il docente le evidenzia.

“Queste quattro leggi, semplici ed eleganti spiegano dal punto di vista teorico quello che avete visto oggi. Oggi appaiono incomprensibili anche nei simboli che usano. Alla fine dell'anno, sviluppata la teoria, vi saranno chiare”.

E lo studente che a metà lezione chiedeva teoria per capire meglio sarà completamente dsoddisfatto.

Questa è stata la prova nella classe reale.

Le riflessioni di metodo sorgono da sole.

Questa classe l'avevamo citata in altra parte dei nostri report e considerazioni. Era la classe che avendo fatto la legge di Snell in teoria e dovendo fare poi una prova pratica per determinare l'indice di rifrazione, non sapeva nemmeno ricreare in laboratorio … il fenomeno della rifrazione ( e poi si distraevano, e poi si annoiavano, e poi non sapevano che fare, e poi prendevano misure a caso e alla fine faticosamente...).

La stessa classe oggi è apparsa irriconoscibile. E questo è già un successo (e come sempre succede in questi casi, i più indisciplinati erano diventati i più attivi e attenti). Ci aspettiamo che quando in laboratorio, come prova pratica dovranno fare misure quantitative di un qualunque fenomeno connesso alla lezione di oggi non avranno esitazioni – poi ci sarà il problema della misura, della costruzione di un apparato preciso e cose del genere, ma sarà tutta un'altra cosa.

Poiché siamo fisici e poiché le cose si vedono con le misure, come promesso pubblicheremo anche i risultati statistici delle votazioni che inevitabilmente ci saranno. Poi ognuno sarà libero di tirare le sue conclusioni .

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